Глава 2. ВИДЫ И РЕЖИМЫ ТРЕНИЯ

Сопротивление относительному движению контактирующих тел под действием внешних сил получило название трение. Сила трения направлена тангенциально к общей границе взаимодейст­вующих тел и всегда препятствует их движению.

2.1. Классификация трения

Трение по характеру проявления и действия обычно представ­ляется механическим явлением. Однако в его основе лежат сложные

молекулярно-механические взаимодействия, во многом зависящие от состава, строения, объемных и поверхностных свойств трущихся тел. Большое многообразие сил трения, встречающихся в природе, приня­то классифицировать по видам и режимам его проявления (рис. 2.1). В основе этой классификации лежат резкие отличия закономерностей трения для различных случаев.

По кинематическим признакам трение (рис. 2.2) подразделяют на следующие три вида.

1. Трение острия. Случай, когда вращение одного из двух кон­тактирующих тел происходит вокруг оси, представляющей собой нормаль, проведенную через единственную точку соприкосновения со вторым телом.

2. Трение качения. Оно представляет собой случай, когда пере­мещение одного тела (шара, цилиндра) по другому (плоскости) проис­ходит вокруг оси, не пересекающей ни одно из трущихся тел, и ско­рость относительного смещения которых в точке контакта равна нулю.

3. Трение скольжения. Случай трения, когда скорость относи­тельного скольжения тел отлична от нуля.

Различие первых двух видов состоит в том, что при качении точ­ки (линии) контакта одного тела соприкасаются с точками (линиями) контакта другого тела на мгновение, в то время как при трении острия (верчения) они находятся в соприкосновении длительное время.

Вышеприведенная классификация трения по его видам являет­ся строгой только лишь в случае, если мы имеем дело с абсолютно упругими (твердыми) телами. При реализации же первого и второго видов трения реальных тел ввиду развивающихся очень высоких концентраций напряжений в контактной зоне происходит сжатие трущихся тел. Контакт между телами представляет собой уже не точ­ку или линию, а некоторую площадь. Размеры этой площади опреде­ляются формой контактирующих тел, их механическими свойствами, а также величиной сжимающего усилия. Поэтому при трении реаль­ных тел, помимо трения острия и качения, появляются участки кон­тактной площади, на которых реализуется трение скольжение. На этом основании можно считать, что наиболее распространенным ви­дом трения в окружающем нас мире является трение скольжения.

Рис. 2.1. Классификация трения по основным критериям

Рис. 2.2. Подразделение видов трения по кинематическим признакам: 1 - трение острия (верчения); 2 - трение качения; 3 - трение скольжения

Помимо перечисленных выше видов трения еще различают трение статическое и кинематическое. Статическое трение опре­деляется минимальным усилием (при микросмещении контакти­рующих тел), необходимым для выведения одного из тел в состоя­ние его относительного движения. Кинематическое же трение ха­рактеризуется усилием, приложенным к движущемуся телу для под­держания постоянной скорости его движения.

Для сопоставления и сравнения трения между телами часто используется понятие коэффициента трения (//), под которым под­разумевается отношение силы трения F между телами к нагрузке (нормальной сжимающей их силе – N

При внешнем трении процессы, определяющие возникнове­ние трения, развиваются в тонких поверхностных слоях трущихся тел. Ввиду шероховатости поверхности, присущей любому телу, площадь истинного контактирования между телами имеет дискрет­ную структуру, а ее величина во многом зависит от сжимающего усилия, приложенного к трущимся телам (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема формирования силы трения

Характерным для внешнего трения является то, что все процес­сы, сопровождающие его (в том числе и выделение тепла при трении), происходят главным образом на поверхностях контактирующих тел.

В основе внутреннего трения лежат процессы, происходящие внутри одного из тел, имеющего легкую подвижность атомов или час­тиц, составляющих это тело. Примером таких тел могут быть жидко­сти, газы, твердые смазки, мягкие металлы и т.п. При внутреннем тре­нии площадь, по которой происходит трение, непрерывна и определя­ется контурными размерами тел, а ее величина не зависит от усилия сжимающего тела. Деформационная зона охватывает весь объем трущегося тела, и выделяющаяся при трении энергия равномерно распределяется внутри этого тела. В отличие от внешнего трения, где частицы трущихся тел под влиянием выступов контртела совершают при трении колебательное движение относительно положения своего равновесия, при внутреннем трении происходит смещение частиц подвижного материала преимущественно в направлении плоскости касания (движения) тела.

Природа внутреннего трения едина. В его основе лежит пере­дача импульса (количества движения) от одного слоя к другому. При­рода же внешнего трения является более сложной. Она включает в себя молекулярные взаимодействия между телами, а также и де­формационные процессы, наблюдающиеся при трении. В этом за­ключается принципиальное отличие внутреннего трения от внешнего.

В реальных механизмах и машинах, в которых используются специальные смазочные материалы и осуществляется контакт с ок­ружающей средой, реализуются более сложные механизмы и режимы трения. Среди них наиболее распространенными стали следующие.

Сухое трение (трение без смазки) - трение при отсутствии смазывающих веществ на трущихся поверхностях. Отличается са­мым большим коэффициентом трения (обычно 0,2...0,5; иногда в ат­мосферных условиях достигает 0,8...0,9; а в вакууме и более не­скольких единиц). Этот режим трения используется в тормозах, сухих муфтах, ременных и сухих фрикционных передачах, соединениях с натягом с обезжиренными поверхностями.

Полусухое трение - смешанное трение, при котором наряду с преобладающим сухим трением на отдельных участках площади кон­такта возникает граничное трение. Этот вид трения характерен для резьбовых соединений, поверхностей зажима изделий.

Граничное трение - трение при наличии тонких слоев смазки (0,1 мкм и менее), когда смазка обладает свойствами, отличными от объемных. Граничная пленка обладает высокой несущей способно­стью на сжатие, измеряемой сотнями МПа, и уменьшает износ в сот­ни раз. Коэффициент трения в этих условиях меньше, чем при сухом трении (обычно 0,05...0,1). Граничное трение преобладает в подшип­никах с малыми скоростями, в большинстве направляющих, иногда проявляется в вариаторах и зубчатых передачах. Реализуется также в тормозах и муфтах, работающих со смазкой.

Полужидкостное трение - смешанное трение, сочетающее в себе жидкостное и граничное трение. Возникает в тихоходных опорах (подшипниках и направляющих), а также при пусках и остановках в опорах жидкостного трения. При полужидкостном трении нагрузка воспринимается частично гидродинамическими силами в масляных слоях, частично передается через граничную пленку. Непосредст­венный контакт поверхностей твердых тел может проявляться при пусках и остановках. Гидродинамическое давление возникает при движении в макрогеометрических сужающих зазорах между трущи­мися поверхностями, а также в микрогеометрических клиновых зазо­рах, образуемых микронеровностями.

Жидкостное гидродинамическое трение - вид трения, когда смазочная жидкость увлекается в суживающийся между трущимися поверхностями зазор и создает гидродинамическое давление, пол­ностью уравновешивающее внешнюю нагрузку. Возникает в под­шипниках и направляющих при значительных скоростях.

Жидкостное гидростатическое трение - вид трения, при ко­тором масло, разделяющее трущиеся поверхности, подается под давлением от отдельного насоса. Используется при малых скоро­стях, недостаточных для обеспечения гидродинамического трения, для уменьшения момента трения и износа при пуске машин.

Жидкостное контактно-гидродинамическое трение - вид тре­ния при качении или качении со скольжением. Возникает в роликовых подшипниках, зубчатых и червячных передачах и аналогичных дета­лях. Здесь контактные деформации принципиально меняют форму зазора, а высокие давления и температура в тонкой масляной пленке резко изменяют вязкость масла.

Трение в условиях вязко-эластичной (консистентной) смазки -трение, которое реализуется в узлах трения скольжения при периоди­ческой работе и трудности применения жидкой смазки. Широко при­меняется в узлах трения качения.

Трение в условиях газовой (воздушной) смазки - трение, которое реализуется в быстроходных подшипниках газовых турбин, шлифо­вальных станков, центрифуг, сепараторов. Характеризуется мини­мальным сопротивлением вращению, малым теплообразованием, не­чувствительностью к изменению температуры.

Трение в условиях вакуума, низких и высоких температур по­лучило распространение с развитием вакуумной и космической тех­ники. Вследствие весьма напряженного теплового баланса на по­верхностях трения - из-за отсутствия теплоотвода - здесь применяют твердые смазки, самосмазывающиеся материалы, пленочные ме­таллические покрытия, а в нагруженных фрикционных устройствах -специальные теплостойкие материалы.

В зависимости от вида и реализуемого режима трения коэф­фициенты трения в узлах машин и оборудования могут существенно меняться. Наиболее характерные из них представлены в табл. 2.1.

Как при переходе от режима к режиму трения, так и внутри ка­ждого из режимов коэффициенты трения могут меняться в десять раз. Столь значительные их изменения связаны и с изменением природы фрикционного взаимодействия, и со свойствами поверхно­сти контактирующих тел, способных весьма значительно влиять на механизм трения и изнашивания трущихся поверхностей.

Таблица 2.1 Значения коэффициентов трения

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Опишите основные критерии для определения видов трения.

2. Определите разновидности признаков трения.

3. Что такое коэффициент трения?

4. Что такое внешнее трение?

5. Что такое внутреннее трение?

6. Каковы разновидности режимов и видов трения?