Атомно-молекулярное взаимодействие поверхностей. Оценка химического, молекулярного и электростатического взаимодействия и сопротивления движению.

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 15Следующая ⇒

В соответствии с основными положениями молекулярно-механической теории трения при относительном перемещении рабочих поверхностей наблюдаются одновременно два вида взаимодействия:

• механическое, обусловленное внедрением микронеровностей более твердой поверхности в менее твердую;

• молекулярное, возникающее в результате действия сил атомно-молекулярного притяжения и отталкивания.

Молекулярная теория трения появилась в XVIII веке и была разработана английским физиком Томпсоном (1929 г.). Эта теория объясняет явление трения, исходя из сил молекулярного взаимодействия, возникающих между поверхностями.

Он показал, что причина трения заключается в атомарном (молекулярном) взаимодействии поверхностей, образующих сопряжение.

Под действием внешней нагрузки электронные оболочки атомов настолько сближаются, что возникает отталкивающая сила. Сила, которая преодолевает возникающие отталкивающие атомные силы, и является силой трения. Закон трения предложен им в таком виде:

где Р₀- удельная сила трения молекулярного взаимодействия, Н/м²; P=N/S_ф - удельное давление, Н/м2; S_ф- площадь фактического контакта, м²;

где σ _т - предел текучести неровностей, Н/м².

Однако эта теория не объясняет некоторые экспериментальные данные, например, механические повреждения поверхностей трения, взаимного внедрения и зацепления поверхностей и др.

Молекулярно-механическая теория трения была разработана советским физиком И. В. Крагельским (1946 г.) Эта теория основана на предположении, что трение имеет двойственную природу и обусловлено как взаимным внедрением отдельных выступов поверхности, так и силами молекулярного притяжения. Сущность теории состоит в следующем.

Если к гладкой поверхности приложить нагрузку, то она вследствие анизотропности ее элементов по механическим свойствам станет шероховатой. Это приводит при трении даже гладких поверхностей к механическому взаимодействию.

Тесное сближение поверхностей вызывает их молекулярное взаимодействие. В результате этих взаимодействий происходит изнашивание поверхностей, интенсивность которого зависит от свойств трущихся поверхностей, характера движения, нагрузки, скорости относительного перемещения, температуры окружающей среды и т. д.

Для определения силы трения им было предложено выражение

где F_мех-составляющая силы трения механического происхождения; F_мол - составляющая силы трения молекулярного происхождения; α и β - коэффициенты, определенные опытным путем.

Рис. 8 - Схема взаимодействия трущихся поверхностей:

а) механическое взаимодействие; б) молекулярное взаимодействие

В настоящее время состояние теории трения таково, что позволяет решать ряд вопросов, выдвигаемых практикой. Имеются методики и рекомендации для выполнения инженерных расчетов на изнашивание различных видов сопряжений.

Гидродинамическая теория трения (смазки) разработана русскими учеными Н. П. Петровым (1883 г.), Н. Е. Жуковским (1886-1889 гг.), С. А. Чаплыгиным (1884-1896 гг.) и другими.

Для определения силы трения Н. П. Петровым предложена формула:

где η - абсолютная вязкость металла, Па۰ с; v - относительная скорость перемещения трущихся поверхностей, м/с; s - площадь поверхностей, скользящих одна относительно другой, м2; h - толщина масляного слоя, м.

Исходя из гидродинамической теории, В. Ч. Казарцев предложил формулу для определения наивыгоднейшего зазора в сопряжении (1940 г.).

Согласно гидродинамической теории трения (смазки) минимальные значения зазора в сопряжении вал-подшипник, обеспечивающего жидкостную смазку, будут

где d - диаметр вала, м; η - абсолютная вязкость масла, Н۰ с/м2; р - удельная нагрузка на вал, Н/м2; s - зазор, м; n - частота вращения вала, об/с.

где ℓ - длина подшипника, м;

С другой стороны

где е - абсолютный эксцентриситет.

Силы трения, действующие в слое смазки, зависят от смещения осей вала и подшипника, характеризуемого относительным эксцентриситетом:

тогда после замены получим

Опытным путем установлено, что наименьшие затраты энергии на трение получаются при λ =0, 5. Исходя из этого,

Приравняем выражения (41, 46)

Решая это уравнение относительно s, получим

Увеличение зазора в сопряжении до значения hmin, равного сумме значений неровностей вала и подшипника, т. е. когда hmin=δ п+δ в=δ, нарушает условия жидкостного трения.

Зазор, соответствующий началу возникновения контактов в скользящих поверхностях считается максимальным. Для случая, когда h_min=δ , т. е. когда зазор в сопряжении будет максимальный можно записать такое выражение:

Разделив одно уравнение на другое, получим:

Анализ работы действующих технических условий показывает, что для подвижных посадок можно принять

где – S_np- предельный зазор по техническим условиям.

В ряде случаев минимальная толщина слоя смазки определяется не величиной шероховатостей поверхностей, а чистотой смазки.

В кривошипно-шатунных подшипниках величина максимального зазора может быть определена по величине работы удара по зависимости

где а - постоянная величина, зависящая от массы, скорости вращения и радиуса кривошипа.

Для определения максимального зазора предложена формула

где ℓ - длина опорной части, м; t - время действия нагрузки, с.

3.5. Основные требования и определения по трению

Из двух видов трения - внешнее и внутреннее, более полная характеристика в литературе даётся внешнему трению.

Внешнее трение - это явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии. Этот вид трения вызывает у деталей дефекты, главным образом, в виде износа.

В процессе внешнего трения происходит объемное деформирование тонких поверхностных слоев. В зависимости от характера объемного деформирования И. В. Крагельский выделяет пять видов фрикционных связей:

1 –упругое оттеснение металла;

2 –пластическое оттеснение металла;

3 –срезание неровностей;

4 –схватывание окисных пленок;

5 –разрушение окисных пленок.

Виды 1-3 образуются при механическом взаимодействии поверхностей, а 4-5 при молекулярном.

В зависимости от условий работы один вид связей может переходить в другой. Этот переход зависит от:

• температуры поверхности трения;

•молекулярного взаимодействия;

•физико-механических свойств металлов;

•микрорельефа поверхности трения.

Упругое оттеснение металла происходит в результате упругой деформации отдельных неровностей.

При больших нагрузках микронеровности деформируются пластически, при этом поверхностные слои металла упрочняются, микронеровности сглаживаются.

Микрорезание происходит при наличии на поверхности трения твердых частиц абразива или частиц износа, которые внедряют в поверхность трения.

Четвертый вид имеет место в том случае, когда прочность пленки ниже прочности основного металла, если прочность пленки выше прочности основного металла больше, то имеем пятый вид фрикционных связей.

Упругое оттеснение металла будет иметь место, если

где h - глубина внедрения; R - радиус внедряющейся неровности; с - коэффициент формы и упрочнения; σ т - предел текучести металла; Е - модуль продольной упругости; μ - коэффициент Пуассона.

Пластическое оттеснение оценивается по углу наклона неровностей

где β - коэффициент (0, 8... 2); Н - твердость по Бриннелю.

В настоящее время различают три вида связей, характеризующих атомно-молекулярное взаимодействие поверхностей: химические; молекулярные (водородные и под действием сил Ван-дер-Ваальса); электростатические (в результате действия силового поля).

Наиболее прочными являются связи, вызванные на силовом атомно- молекулярном уровне. Эти силы наблюдаются при взаимодействии тел с высоким

качеством поверхностей, когда зазор между неровностями контактирующих поверхностей составляет 0, 0003— 0, 0005 мкм.

Давление, возникающее в результате атомно-молекулярного взаимодействия, зависит от материалов деталей сопряжения, параметров профиля и наличия окисных пленок. Например, для стальных поверхностей, контактирующих на расстоянии 0, 005—0, 01 мкм, давление достигает 105 Па.

Влияние температур на молекулярную составляющих силы трения. Увеличение температуры рабочих поверхностей вызывает изменение механической и молекулярной составляющих силы трения.

Молекулярная составляющая силы трения при изменении температуры рабочих поверхностей может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной в зависимости от конструкции сопряжения, материалов деталей и характера окружающей среды.

Для деталей из металлических материалов нормальные условия внешнего трения обеспечиваются при температурах t ≤ (0, 2 — 0, 3) tпл (здесь tпл — температура плавления). Причем:

•Повышение температуры в интервале от 0 до 0, 2tпл ведет, как правило, к снижению молекулярной составляющей силы трения вследствие быстрого восстановления пленок окислов.

•Дальнейшее увеличение температуры вызывает интенсивное схватывание поверхностей в точках фактического контакта вследствие адгезионного взаимодействия и, следовательно, ведет к увеличению молекулярной составляющей силы трения.

•При трении без смазочного материала силы сопротивления перемещению обусловлены механическим зацеплением выступов неровностей и молекулярным взаимодействием материалов в зонах контакта поверхностей.

Влияние смазочного материала на молекулярную составляющих силы трения. Трение без смазочного материала всегда сопровождается механическим повреждением трущихся поверхностей, упругопластическим деформированием, резким повышением температуры, возникновением шума и вибрации.

Для этого вида трения характерно как механическое, так и молекулярное взаимодействие рабочих поверхностей. Имеющиеся на поверхности деталей неровности мешают контакту поверхности по всей номинальной площади, поэтому даже при малой нагрузке возникает большое давление, достигающее в отдельных точках 108—109Па.

Под влиянием этого давления выступы при относительном перемещении поверхностей деформируются, взаимно внедряются и разрушаются. Этот процесс сопровождается интенсивным тепловыделением.

Разрушение окисных пленок и сближение поверхностей при трении без смазочного материала обеспечивают благоприятные условия для молекулярного взаимодействия рабочих поверхностей деталей.

Оценка процессовхимического взаимодействия на молекулярную составляющих силы трения. На сопротивление относительному перемещению рабочих поверхностей оказывают существенное влияние продукты химических процессов на работающих поверхностях контакта (продукты сервовитных и окисных плёнок).

У обычных поверхностей трения толщина граничных пленок, образуемых окислами, а также химически и полярно активными компонентами смазочного материала, значительно меньше высоты неровностей и составляет 0, 1—0, 5 мкм. Механическое взаимодействие поверхностей при этом полностью не исключается, а лишь снижается благодаря уменьшению давления в точках фактического контактирования.

Взаимодействие смазочного материала с металлом приводит к изменениям физических свойств:

•масла — под действием силового поля металлической поверхности поверхностных слоев материала;

•детали — в результате химической активности масла.

Если смазочный материал подобран правильно, то в результате этих изменений обеспечивается положительный градиент механических свойств материала по глубине.

Кроме того, слой смазочного материала, разделяя трущиеся поверхности, значительно снижает силы молекулярного взаимодействия. Однако при этом износ не исключается полностью, а лишь несколько снижается.

Избирательный перенос — это вид контактного взаимодействия деталей при трении, который возникает в результате протекания на поверхности комплекса механо-физико-химических процессов, приводящих к снижению трения и автокомпенсации износа.

При избирательном переносе в зоне контактирования поверхностей образуется защитная, так называемая сервовитная пленка.

Сервовитная пленка образуется в зоне трения в результате электро-химических процессов, развивающихся при трении в системе сталь — смазочный материал, которую можно рассматривать как гальванический элемент. Электрохимические процессы, протекающие при трении, приводят к резкому изменению структуры поверхностных слоев материала. В результате в поверхностном слое зарождается большое число вакансий и дислокаций, которые

приводят к образованию в зоне контакта рыхлой суспензии, обладающей высокой пластичностью малыми сдвиговыми сопротивлениями.

Исследования влияния электрического поля на процессы износа определили, что накапливающиеся на поверхностях контакта заряды, пробивая масляную плёнку, способствуют повышению износа. Причинами этого могут быть местные вспышки температур, ухудшающие механические характеристики масла. Установлено, что интенсивность электростатического износа во многом определяются проводимостью масляных плёнок. При наличии в смазке механических примесей электрическая проводимость масляной плёнки увеличивается и, как следствие, электрическое поле перестаёт создавать условия для удержания в зоне контакта электровалентных составляющих сервовитных плёнок, защищающих поверхности трения от износа

Молекулярное взаимодействие продуктов трения. Вследствие наличия сил молекулярного взаимодействия и схватывания в процессе трения сервовитная плёнка переносится на стальную поверхность, способствует сглаживанию шероховатости поверхности и, заполняя впадины микронеровностей, образует защитный слой. При этом в 100 раз возрастает фактическая площадь контакта и приближается к номинальной, равномерно перераспределяется давление по всей рабочей поверхности.

Таким образом электрохимические процессы и последующие молекулярное взаимодействие продуктов трения при оптимальных температурах контакта поверхностей обеспечивают уменьшение механического взаимодействия неровностей, и вследствие этого создают условия уменьшения молекулярной составляющей силы трения

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒