Виды трения

Внешним трением (трением) называют явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним. Основной характеристикой внешнего трения является сила трения – сила сопротивления относительному перемещению двух тел при трении, которая зависит от коэффициента трения и скорости скольжения (разности скорости тел в точках их касания).

По наличию и характеру движения различают трение покоя и трение движения. Трением покоя называют трение двух тел при предварительном их смещении, т.е. при малом относительном перемещении до перехода от покоя к скольжению. Сила трения покоя, соответствующая началу относительного смещения, превышает по значению силу трения движения. Этим объясняются повышенные потери на трение в период пуска машин.

В зависимости от кинематики относительного перемещения деталей различают трение скольжения (скорости соприкасающихся тел в точках касания различны по значению и направлению либо только по значению или направлению); трение качения (скорости одинаковы по значению и направлению) и трение качения с проскальзыванием (движение происходит одновременно с качением и скольжением).

С трением скольжения связаны максимальные энергетические потери и наибольший износ. Вместе с тем в машинах широко используют положительный эффект трения скольжения – в тормозах и приводах ленточных конвейеров, элеваторов, лифтов, канатных дорог – возможность получения больших сил трения при относительно малых нормальных усилиях. Работа фрикционных приводов сопровождается еще одной разновидностью трения скольжения – упругим скольжением, связанным с различными значениями усилий натяжения гибкого тягового органа в точках набегания на барабан и сбегания с него.

Трение качения с проскальзыванием постоянно реализуется во многих парах трения. Оно более благоприятно по сравнению с чистым трением скольжения, так как при нем существенно уменьшаются путь скольжения и износ. Благодаря трению качения с проскальзыванием обеспечивается высокая износостойкость круглозвенных цепей, хотя удельные нагрузки в их шарнирах из-за точечного контакта звеньев во много раз больше, чем в шарнирах втулочно-роликовых цепей, где обеспечен благоприятный линейный контакт, но при трении скольжения; КПД цилиндрических и конических зубчатых передач значительно выше, чем у червячных, у которых в зацеплении – трение скольжения.

Наибольшее распространение в машинах имеет самый благоприятный вид трения – трение качения, которому соответствуют наименьшая сила трения и минимальный износ.

Однако вид трения, обусловленный конструкцией механизма, реализуется не всегда, причем один вид трения может переходить в другой более или менее благоприятный. Так, при движении крана с перекосом чистое трение качения колеса по рельсу переходит в трение качения с проскальзыванием в паре обод – беговая дорожка рельса, а реборды колеса трутся о боковую поверхность головки рельса, т. е. возникает неблагоприятное трение скольжения. При загрязнении подшипников чистое трение качения их промежуточных тел (шариков) переходит в трение скольжения по поверхности одного из колец или в трение скольжения подшипника о поверхность гнезда, при этом подшипник быстро теряет работоспособность. Могут существовать одновременно все виды трения, что и имеет место с крановыми колесами.

Понимание сущности процессов трения обусловливает правильный выбор конструктивных и эксплуатационных мероприятий, направленных на повышение долговечности элементов машин. На характер трения влияют качество рабочих поверхностей и их физические свойства.

Износ в основном зависит от следующих факторов: материала трущихся деталей, твердости и шероховатости трущихся поверхностей, смазки.

Физические свойства поверхностного слоя отличаются от свойств основного металла детали. В основном металле атомы кристаллической решетки находятся в равновесии, взаимодействуя с окружающими их атомами кристаллических решеток. В поверхностных же слоях атомы входят во взаимодействие с окружающей средой. В результате на поверхности металла образуются тончайшие пленки окислов, значительно влияющих на силу трения. Такие пленки прочно связаны с основным металлом и, увеличиваясь с течением времени, изменяют механические свойства поверхностного слоя детали.

При обработке поверхностей основное влияние на их физические свойства оказывают механическое воздействие режущего инструмента и процесс теплообмена детали с окружающей средой. В результате механического воздействия всякая обработанная поверхность металла большей частью меняет свою кристаллическую структуру.

В зависимости от количества смазочного материала на трущихся поверхностях деталей различают в основном три вида трения: трение без смазки (сухое) – в этом случае коэффициент трения скольжения φ = 0,2÷0,3; граничное и жидкостное трения. На практике нередко встречаются одновременно граничное трение и трение без смазки. Этот вид трения называют полусухим (φ = 0,1÷0,2). Комбинацию граничного и жидкостного трения называют полужидкостным трением (φ = 0,005÷0,01).

Трение без смазки всегда сопровождается механическим повреждением трущихся поверхностей, упругопластическим деформированием, задирами, интенсивным теплообразованием, возникновением шума и вибрации. Для этого вида трения характерны как механическое, так и молекулярное взаимодействия поверхностей. Имеющаяся на поверхностях деталей шероховатость мешает контакту поверхностей по всей площадке. Поэтому в процессе работы детали соприкасаются лишь выступами шероховатостей трущихся поверхностей. Площадь касания этих выступов составляет ничтожную долю общей площади поверхности, поэтому даже при малой нагрузке возникает большое давление. Под влиянием этого давления выступы при относительном перемещении поверхностей взаимно внедряются и разрушаются. При этом на контактирующих участках поверхностей деталей возникают силы молекулярного взаимодействия.

Таким образом, при трении без смазки силы сопротивления перемещению обусловлены механическим зацеплением и молекулярным взаимодействием материалов в зонах контакта поверхностей.

При решении практических задач коэффициент трения часто принимают постоянным для заданных материалов. Это справедливо, если не учитывать неровности поверхностей трения и их деформацию под нагрузкой, а также изменение температуры на поверхности. В действительности же коэффициент трения без смазки зависит от микро- и макрогеометрии поверхностей, физических свойств материалов деталей, скорости относительного перемещения и температуры трущейся поверхности.

Величина коэффициента трения зависит от давления в зоне контакта и от твердости материалов. Увеличение коэффициента трения при малых скоростях объясняется пластическими деформациями поверхностей, а понижение его при увеличении скорости – нагревом трущихся поверхностей.

Наличие окисной пленки на поверхности значительно понижает коэффициент трения для весьма гладких поверхностей при небольших нагрузках. Значения коэффициента трения для пары сталь – сталь составляют: при отсутствии пленки f = 0,78, с окисной пленкой f = 0,27. Для шероховатых поверхностей при больших нагрузках этот эффект существенного значения не имеет.

Таким образом, коэффициент трения чистых металлов в несколько раз больше, чем металлов, покрытых окисными пленками.

Граничное трение возникает тогда, когда трущиеся поверхности разделены молекулами масла, адсорбированными на поверхности металла вследствие полярной активности и сил молекулярного притяжения. Толщина масляного слоя в этом случае не превышает 0,1 мкм.

Механизм взаимодействия молекул поверхности металла и смазывающего материала объясняется следующим образом. Молекулы смазочного слоя присоединяются к кристаллической решетке металла, образуя два – три слоя упорядоченных молекул. С увеличением расстояний от кристаллических решеток сила притяжения становится настолько малой, что частицы смазки свободно скользят по неподвижным слоям. Коэффициент граничного трения зависит от толщины смазочного слоя и химического состава смазочного материала. Уменьшение толщины граничного слоя приводит к увеличению коэффициента трения.

Смазка не только уменьшает трение вследствие скольжения слоев смазки друг по другу. Она, проникая в имеющиеся на поверхности деталей микропоры, снижает пластическую деформацию материала, способствует перераспределению давления и, таким образом, обеспечивает благоприятные условия приработки поверхностей. Тонкая граничная пленка смазки способна выдержать нормальное давление в несколько тысяч мегапаскалей. Таким образом, пленка смазки надежно защищает поверхность металла от повреждения. При уменьшении толщины пленки граничное трение переходит в трение без смазки, при увеличении – в жидкостное трение.

В процессе эксплуатации машин граничное трение наблюдают в элементах редукторов, например в зацеплении шестерен бортовых передач, в шариковых подшипниках.

Жидкостное трение бывает тогда, когда трущиеся поверхности полностью разделены слоем смазки. При этом трение металлических поверхностей заменяется внутренним трением слоев смазочного материала.

Существование такого вида трения возможно лишь при идеальных условиях: малые удельные нагрузки, большие скорости перемещения и непрерывный подвод смазочного материала. Это достаточно сложно, и поэтому между смазываемыми деталями чаще всего имеет место так называемая граничная смазка – наличие на поверхности трения тонкой масляной пленки. Граничные пленки обладают способностью расклинивающего действия, стремящегося раздвинуть смазываемые поверхности. Это расклинивающее действие увеличивается с уменьшением зазора и увеличением скорости скольжения. Наличие тонкого смазочного слоя не только снижает силу трения, но и существенно влияет на износ. Это влияние, как правило, положительное, но может быть и отрицательным из-за проникновения смазочного материала в микрощели между кристаллами. Однако при повышении качества смазочного материала специальными присадками удается достичь положительного эффекта и уменьшить износ.

Основным свойством смазочного материала, обеспечивающим жидкостное трение, является его вязкость. Это свойство проявляется в стремлении жидкости препятствовать изменению формы и характеризуется внутренним трением жидкости. Количественная оценка вязкости материала осуществляется коэффициентами динамической и кинематической вязкости.

Вязкость значительно снижается при повышении температуры масла. При небольших давлениях в тонких пленках вязкость масла остается примерно постоянной, но при увеличении давления более 100 МПа значение ее резко повышается.

Коэффициент трения – безразмерная величина, зависящая от коэффициента динамической вязкости, относительной скорости V движения и нагрузки Р. Чем больше и V и чем меньше Р на единицу площади, тем больше коэффициент трения, т. е.

, (7)

где A – коэффициент пропорциональности, характеризующий конструкцию узла трения.

Жидкостное трение свойственно подшипникам. Режим работы подшипника определяется отношением / P, где n – частота вращения. Нормальная работа подшипника обеспечивается при условии, что минимальная толщина слоя смазки больше критической, т.е. такой, при которой начинается полусухое трение. Значение критической толщины слоя смазки зависит от качества поверхностей; размеров абразивных частиц, находящихся в масле, и других факторов.

Физическая сущность трения качения заключается в следующем. При взаимодействии цилиндра с плоскостью материал цилиндра на участке контакта сжимается, а материал плоскости в этой же области растягивается. Таким образом, при качении цилиндра, т. е. при последовательном нарушении контакта, точки поверхности цилиндра на участке контакта будут стремиться сблизиться, а соответствующие точки плоскости – удаляться одна от другой. Это приведет к относительному скольжению поверхностей цилиндра и плоскости.

Сила F_к трения качения (в Н) зависит от коэффициента f_к трения, радиуса R цилиндра и нагрузки P:

. (8)

Коэффициент f_к имеет линейную размерность и представляет собой полухорду зоны сжатия. Он зависит от упругих свойств материалов. Для деталей из мягкой стали f_к = 0,005 см, а для деталей из закаленной стали f_к = 0,001 см.