Лабораторные работы по дисциплине "Физика трения" (стр. 7 )

Третья группа – трение объясняется за счет работы, затраченной на деформирование некоторого объема, связанного с взаимным внедрением выступов контактирующих тел. Развитие этих воззрений совпадает с эпохой разработки трения упругости. Первая теория трения в этой области предложена английским физиком Д. Лесли (1801 г.), который полагал, что трение возникает за счет волны деформации, бегущей перед каждым из внедрявшихся в деформируемое тело выступов. В 1921 г. немецким исследователем Л. Гюмбелем была сформулирована теория, согласно которой причиной трения является сопротивление оттеснения материала внедрившимся неровностям.

Четвертая группа объединяет комбинированные теории трения. Первая такая теория, рассматривающая трение как результат преодоления сил сцепления между поверхностями и подъема по микронеровностям, была 'сформулирована Ш. Кулоном (1779 г.). К комбинированным относятся также теории Г. Эрнста и П. Мерчента (1940 г.), молекулярно-механическая теория трения (1939 г.), а также теория трения текстильных материалов, которую предложили Howell, Mieszkis и Tabor.

Rabinowicz выдвинул теорию, которая может быть также отнесена к этой группе.

По мере уточнения взглядов на природу трения, наблюдалась эволюция взглядов на величину коэффициента трения.

Положение о неизменности коэффициента трения для всех тел и любых состояний поверхностей было сформулировано в XVI в. Леонардо да Винчи, в XVII в. – Г. Амонтоном и в начале XVIII в. – Т. Бюльфингером.

К середине XVIII в. начинают отчетливо различать величину коэффициента трения для различных сочетаний металлов.

К концу XVII в. Кулону удалось четко выявить влияние давления на коэффициент трения. В начале XIX в. Г. Ренни подтвердил это своими экспериментами. В конце XIX в. итальянскому ученому П. Конти удалось установить зависимость коэффициента трения от скорости скольжения.

Русские ученые и в середине XIX в. нанесли окончательный удар представлению о неизменности коэффициента трения для данной трущейся пары.

Лишь в XX в. советским ученым удалось выявить влияние шероховатости на трение несмазанных поверхностей и, пользуясь расчетными моделями, дать зависимости, позволяющие выражать коэффициент трения как функцию давления, шероховатости и скорости скольжения.

В настоящее время распространенным является представление о двойственной, молекулярно-механической или, как мы теперь называем, адгезионно-деформационной природе трения. Работами советских ученых она в настоящее время доведена, применительно к трению покоя, до количественных зависимостей. Значительно хуже обстоит дело с трением скольжения.

Здесь проведено еще мало исследований и отсутствуют аналитические зависимости, пригодные для инженерных расчетов. Поэтому приходится в справочниках искать нужные значения коэффициентов трения для условий, которые близки к тем, в которых будет работать пара трения.

В наших основных машиностроительных справочниках приводятся данные по коэффициентам трения для данной трущейся пары при различных условиях работы.

Сейчас наука о трении в части, касающейся его моделирования, исследованиями , , Г. Фазекаса и Р. X. Фринге значительно продвинулась вперед.

Работы и содержат критерии, позволяющие в лабораторных условиях с достаточным приближением моделировать режимы внешнего трения при торможении. Это является существенным достижением науки о трении, ибо ранее имело место значительное несоответствие между результатами лабораторных экспериментов на приборах и поведением пар трения в реальных условиях.

Для целей инженерных расчетов необходимо учитывать то обстоятельство, что коэффициент трения почти в равной мере зависит от трех факторов: сочетания материалов; конструкции фрикционной пары; режима работы, который обусловливает изменения, протекающие как в материале, так и в геометрическом очертании неровностей.

Таким образом, выбор пар трения без знаний условий работы узла трения невозможен. Отсюда понятна бессмысленность таблиц по коэффициентам трения, приведенных в справочниках, в которых отмечены тары трения, но отсутствуют указания на условиях, в которых были определены коэффициенты трения.

ТРЕНИЕ БЕЗ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Трение без смазочного материала и при отсутствии загрязнений между поверхностями трения бывает в тормозах, фрикционных передачах, в узлах машин текстильной, пищевой, химической промышленности, где смазочный материал, во избежание порчи продукции, либо по соображениям безопасности, недопустим, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не пригоден.

Трение имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, которые проявляются на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомное расстояние в кристаллических решетках, и увеличиваются с повышением температуры. Молекулярные силы при наличии либо отсутствии промежуточной вязкой прослойки (влаги, загрязнения, смазочного материала и т. п.) вызывают на участках контакта адгезию. Она возможна между металлами и пленками окислов. Адгезия может быть обусловлена одновременно и действием электростатических сил. Силы адгезии, как и молекулярные силы, прямо пропорциональны площади фактического контакта. Приложенное давление влияет на эти силы косвенно, через площадь фактического контакта.

Молекулярные силы как силы, перпендикулярные поверхности, казалось бы, не должны производить работу при относительном тангенциальном перемещении поверхностей. То же должно относиться и к силам адгезии, если образовавшаяся вследствие адгезии связь между телами разрушается по месту соединения. На самом же деле относительное смещение поверхностей при наличии взаимного притяжения и адгезии сопровождается деформацией сдвига, что, вследствие неидеальной упругости материала, требует дополнительных затрат энергии. Разумеется, большую тангенциальную силу надо приложить, если связь между телами нарушается не по месту соединения, а на некоторой глубине от поверхности контакта.

Более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей. Сила трения в этом случае зависит от протяженности зон схватывания и сопротивления их разобщению.

Сила трения Т обусловлена механическим и молекулярным взаимодействиями:

, (1)

где а–средняя интенсивность молекулярной составляющей силы трения; SФ–фактическая площадь контакта; b–коэффициент, характеризующий механическую составляющую силы трения; Р–сила давления.

Коэффициент трения f представляет собой отношение силы трения к силе давления. На основании формулы (1) имеем

. (2)

Двучленные выражения вида (1) и (2) для силы трения и коэффициента трения действительны для трения со смазочным материалом и без него.

Статическая сила трения, в зависимости от продолжительности неподвижного контакта, возрастает до некоторого предела. Сила трения движения зависит от скорости скольжения, причем соответственно давлению и параметрам поверхности трущихся тел коэффициент трения может монотонно изменяться и иметь максимум или минимум.

Составляющая силы трения, обусловленная пластической деформацией (механическим взаимодействием) поверхностей, обычно весьма незначительна (всего несколько процентов от суммарной силы трения). Так, трение металлических поверхностей в вакууме сопровождается большим коэффициентом трения (больше единицы). Если же в вакуумную камеру впустить воздух, то за очень короткий промежуток времени коэффициент трения уменьшается в несколько раз. За это время кислород не в состоянии образовать пленку окисла, чтобы сгладить самые небольшие неровности поверхности трения или воспрепятствовать их взаимному внедрению.

На основании этого можно сделать вывод, что молекулярная составляющая силы трения является причиной высокого значения последней в вакууме. Заметим, что при трении качения молекулярная составляющая сравнительно мало влияет на трение.

Трение без смазочного материала сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей, с чем связаны, например, вибрация автомобиля при включении сцепления, «дергание» при торможении, «визг» тормозов, вибрация резцов при резании и нарушение плавности работы медленно движущихся деталей. Можно рекомендовать следующие меры борьбы со «скачками» при трении: увеличение жесткости системы, повышение скорости скольжения, подбор пар трения, для которых коэффициент трения незначительно возрастает с ростом продолжительности неподвижного контакта и при повышении скорости не имеет минимума.

Особо остановимся на трении металлических поверхностей при высоких температурах, выше температуры разложения минеральных масел, или температур плавления либо разложения твердых смазочных материалов. На поверхностях трения даже в условиях высокого разрежения образуется окисная пленка. Свойства этой пленки в отношении равномерности покрытия, плотности и прочности связи с основанием, а также интенсивность ее образования зависят от состава сплава. Пленка при соответствующем составе уменьшает силу трения и интенсивность изнашивания и предохраняет поверхности от коррозии и непосредственного контактирования. В разреженной атмосфере защитное действие пленки снижается.

Пленки окислов, влага и загрязнения на металлических поверхностях влияют на коэффициент трения двояко. Силы молекулярного притяжения между ними могут быть в сотни раз меньше, чем в случае взаимодействия металла на чистом контакте. Кроме того, прочность окислов обычно меньше прочности основного металла, поэтому сопротивление «пропахиванию» и срезанию частиц при перемещении, наряду с силами молекулярного взаимодействия, значительно понижается, и коэффициент трения падает. Толстые пленки окислов обладают меньшей твердостью, и наличие их приводит к повышению площади фактического контакта, причем, если это возрастание будет протекать быстрее, чем уменьшение механической составляющей силы трения, то произойдет увеличение силы трения.

Важным фактором, определяющим коэффициент трения, является момент трения М, связывающий силу трения и геометрические параметры.

При работе на машине трения ИИ 5018 таким геометрическим параметром будет являться радиус образцов R. Т. е.:

. (3)

Пренебрегая молекулярной составляющей силы трения получим формулу:

. (4)

Рабочее задание

Изучить физический смысл силы трения, коэффициента трения и методы определения коэффициента трения. Провести экспериментальное определение коэффициента трения.

Оборудование и материалы.

Машина трения ИИ 5018, образцы.

Порядок выполнения работы.

1)  Ознакомиться с основными характеристиками процесса трения и изнашивания, с физическим смыслом силы трения, коэффициента трения и методами определения коэффициента трения, изложенными в сведениях из теории настоящей работы.

2)  Провести испытания на машине трения для случая трения без смазочного материала.

3)  Провести испытания на машине трения для случая трения со смазочным материалом.

4)  Оформить отчет о лабораторной работе с заполнением рабочей формы, приводимой ниже:

Таблица 1

Зависимость момента и коэффициента трения от нагрузки и скорости

№ образца	Усилие нажатия, N, Н	Частота вращения, n, мин-1	Момент трения, М, Н×м	Коэффи-циент трения, f
1	300	1000
2	400
3	500
4	600
5	700
1	500	400
2	800
3	1200
4	1600
5	2000

Содержание отчета.

В отчете должны быть: название и цель работы, определение силы трения, момента трения, коэффициента трения; необходимо построить зависимость f=f(p), составить таблицу результатов испытаний; сделать выводы.

Контрольные вопросы.

1.  Что является основной характеристикой процесса трения?

2.  Каков физический смысл коэффициента трения f?

3.  От чего зависит сила трения движения?

4.  Как влияют пленки окислов, влага и загрязнения на металлических поверхностях на коэффициент трения?

5.  Каков физический смысл момента трения М?

6.  Какие существуют способы определения коэффициента трения?