2.8. Вплив теплових процесів тертя

На мікроплощинах фактичного контакту, в процесі тертя, виникають температурні явища, які досягають іноді до температури 1000°С. Середня температура поверхонь, що труться, в значній мірі залежить від властивостей матеріалу, параметрів профілів робочих поверхонь деталей і режиму їх роботи і впливає на коефіцієнт тертя, характер, швидкість і інтенсивність зношування і, як наслідок, на довговічність спряжень.

Закономірність зміни середньої температури можна отримати на основі закону забезпечення енергії:

(2.7)

деФт— тепловий потік, Вт, (Фт =Q/τ, Q— кількість теплоти, Дж);

τ— час нагріву деталі, с;

с — загальна теплоємкість деталі, Дж/К;

А — тепловий потік зі всієї поверхні охолодження деталі при зміні температури на 1 градус, Вт/К, А = αS (α— коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м^{2 .}К);

S— площа поверхні тепловіддачі, м²;

t — середня температура деталей, що труться.

2.9. Вплив мастильних матеріалів

Тертя без мастильного матеріалу завжди супроводжується механічним пошкодженням поверхонь, пружньо-пластичним деформуванням, значним збільшенням температури, виникненням шуму і вібрації. Для цього виду тертя характерне як механічна, так і молекулярна взаємодія робочих поверхонь. Нерівності поверхонь, що труться, заважають контакту поверхонь тертя по всій номінальній площині. Тому навіть при малих навантаженнях виникає великий тиск, який досягає іноді до 10⁸...10⁹ Па. Цей процес супроводжується інтенсивним тепловиділенням.

Руйнування оксидних плівок та зближення поверхонь, що труться без мастильного матеріалу, забезпечує умови для молекулярної взаємодії поверхонь.

В умовах тертя без мастильного матеріалу працюють елементи гальмівних пристроїв, сухих муфт зчеплення та інші.

Тертя з мастильним матеріалом виникає при значно більш сприятливих умовах і характеризуються зменшенням сил тертя, більш рівномірним розподілом тиску по поверхні тертя і меншою інтенсивністю тепловиділення.

Зі збільшенням кількості мастильного матеріалу в зоні тертя, виникають умови, при яких поверхні, що труться, повністю розмежовані шаром оливи.

Російським вченим Н.П. Петровим, ще 100 років тому, була розроблена гідродинамічна теорія змащення, відповідно до якої:

(2.16)

де ν — кінематична в’язкість;

S— площа поверхонь, що труться;

— відносна швидкість переміщення цих поверхонь;

— товщина оливної плівки;

Тертя з мастильним матеріалом можливе, якщо товщина оливної плівки, мм:

(2.17)

де d— діаметр вала;

n — частота обертання вала;

P— питомий тиск; 

δ — діаметральний зазор між валом і підшипником;

К_l — коефіцієнт, який враховує довжину шийки валу (К_l = (l + d)/l,

де l—довжина шийки валу).V=const

Такі умови тертя забезпечують максимальну довговічність спряжень і частіше всього формуються в підшипниках кочення і ковзання.

2.10. Вплив швидкості відносного руху і навантаження

Вплив швидкості відносного переміщення поверхонь тертя на сили опору руху довгий час залишались недостатньо вивченими. Основна складність в отриманні співвідношень між коефіцієнтом або силою тертя і швидкістю полягає в тому, що взаємодія поверхонь супроводжується інтенсивним виділенням тепла, зміною температури в контактуючих поверхнях і як наслідок тягне за собою зміну фізичних і механічних властивостей матеріалів та інше.

Графічна залежність коефіцієнту тертяf від швидкості ковзання V_відпри Р = const,ν = const має вигляд (рис. 2.6).

В аналітичній формі цю залежність можна представити, як:

f=(a+bV_від)е^-сVвід+d(2.18)

д еa,b,c,d – коефіцієнти, які залежать від матеріалу деталей :(a=0,04...0,6; b = 0,05...0,2; c=0,5…1,0; d=0,1…0,3).

Як видно з графіка, при малих швидкостях (V_від == 0,01...0,4 м/с) коефіцієнт тертя f збільшується, а при V_від> 0,4 м/с він зменшується.

П ри малих швидкостях ковзання зі збільшенням в’язкості мастильного матеріалу виникає різке збільшення коефіцієнту тертя (рис. 2.7).

При малій товщині мастильного матеріалу і невеликих швидкостях ковзання, тертя обумовлено в основному молекулярною взаємодією і руйнуванням містків зварювання в місцях фактичного контакту. Коефіцієнт тертя при цьому збільшується внаслідок механічних складових.

При високих швидкостях відносного переміщення поверхні деталей піддаються інтенсивному нагріванню, що викликає структурні зміни матеріалу поверхневих шарів.

Збільшення навантаження на поверхні тертя супроводжується також збільшенням температури в зоні контакту і збільшенням коефіцієнта тертя.

Оксидні плівки на робочих поверхнях деталей при невеликих навантаженнях впливають на зменшення коефіцієнта тертя (рис. 2.8). Це відбувається внаслідок зменшення молекулярних сил. Оксидні плівки товщиною більше 0,5 мкм мають свою структуру і можуть збільшувати коефіцієнт терта.

При великій шорсткості поверхонь і великих навантаженнях, оксидна плівка вплив на процес тертя не створює.

Швидкість та інтенсивність зношування деталей залежить від багатьох факторів (див. рис. 2.3).

Аналіз досліджень зношування різних матеріалів в умовах граничного змащування та тертя без мастильного матеріалу при сталому процесі показує, що в загальному випадку швидкість зношування може бути зображена залежністю:

V_зн=КP^mVⁿ(2.19)

д е К — коефіцієнт пропорційності, який характеризує матеріал пари та умови зношування, в даному випадкумолекулярною взаємодією і руйнуванням містків зварювання в місцях фактичного контакту. Коефіцієнт тертя при цьому збільшується внаслідок механічних складових.

При високих швидкостях відносного переміщення поверхні деталей піддаються інтенсивному нагріванню, що викликає структурні зміни матеріалу поверхневих шарів.

Збільшення навантаження на поверхні тертя супроводжується також збільшенням температури в зоні контакту і збільшенням коефіцієнта тертя.

Оксидні плівки на робочихповерхнях деталей при невеликих навантаженнях впливають на зменшення коефіцієнта тертя (рис. 2.8). Це відбувається внаслідок зменшення молекулярних сил. Оксидні плівки товщиною більше 0,5 мкм мають свою структуру і можуть збільшувати коефіцієнт тертя.

При великій шорсткості поверхонь і великих навантаженнях, оксидна плівка вплив на процес тертя не створює.

Швидкість та інтенсивність зношування деталей залежить від багатьох факторів (див. рис. 2.3).

Аналіз досліджень зношування різних матеріалів в умовах граничного змащування та тертя без мастильного матеріалу при сталому процесі показує, що в загальному випадку швидкість зношування може бути зображена залежністю:

К_зн = КР^mVⁿ(2.19)

де Р — тиск на поверхні тертя;

т — коефіцієнт показника ступеню, /и=0,53;

Vвід — швидкість відносного ковзання;

п — показник ступеню, який характеризує пару тертя.

Мастильний матеріал. Розмірність коефіцієнта К зворотній розмірності тиску;

Рис. 2.8. Залежність коефіцієнта тертя f від товщини h окисних плівок

Для більшості пар тертя, абразивного та ряду інших видів зношування т = п = 1, тоді:

V_зн=КРV_від, (2.20)

а лінійне зношення:

и = V_зн; t= К PV_kt =KPS , (2.21)

деS = V_відt

t — час.

З формули (2.21) видно, що при п — 1 зношення не залежить від швидкості відносного ковзання, а лише від шляху тертя.

Інтенсивність зношування (за І.В.Крагельським), виходячи з дискретного дотику твердих тіл, в загальному вигляді може бути виражено залежністю:

(2.22)

де Р_н / Рф — відношення нормального тиску до фактичного (Р_н/Р_ф=0,1...0,001);

К₀ — постійна, яка характеризує розподіл нерівностей за висотою ( Ко=0,18...0,22);

Z — число циклів до руйнування нерівностей(Z = 10⁵...10¹²);

h/R— відношення глибини проникнення одиничної нерівності hдо її радіусу (величина h/R— характеризує вид взаємодії поверхонь, що труться: пружна, пластична і мікрорізання. В основному контакт буває пружним h/R = 0,1-0,0001.

Величину Z, визначають експериментально, виходячи з фрикційної втомленості чи за формулою:

(2.23)

де _п — межа пружності;

f — коефіцієнт тертя;

у — показник, який залежить від мастильного матеріалу та механічних властивостей тіл, що труться (за умов пружного контакту у = 10... 15).

При практичних розрахунках за цією формулою (на думку автора користуватися складно, тому щопоказники,яківходятьдо формули,залежать від багатьох факторів змінюються в

залежності від їх дії в широких межах. Однак залежність являє собою теоретичний інтерес і може бути використана при дослідженнях.

Запитання та завдання для самостійного контролю

Що таке «внутрішнє» і «зовнішнє» тертя?

2. Що таке тертя спокою і руху?

3. Що таке тертя кочення, ковзання і тертя кочення з проковзуванням?

4. Поясніть поняття про тертя з мастильним матеріалом.

5. Поясніть сучасну торію про молекулярно-механічне тертя.

6. Поясніть поняття «триботехніка».

7. Що таке присадка ПАР? Поясніть графічно структуру граничного шару оливи.

8. Поясніть роль адсорбованої плівки при терті.

9. Що таке «третє тіло»?

10. Що таке позитивний градієнт і способи його реалізації?

11. Поясніть взаємодію поверхонь, що труться.

12. Поясніть графічно фактори, що впливають на зношування.

13. Поясніть вплив деяких факторів на тертя та зношування.