1 ОСНОВЫ ТРИБОТЕХНИКИ 3 Проблемы трения, износа

1 ОСНОВЫ ТРИБОТЕХНИКИ

3 Проблемы трения, износа и смазки в машинах изучает наука трибология. Современная наука трибология изучает трение, износ, смазку в процессе взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Трибология охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических, химических, биологических и др. явлений, связанных с трением.

4 Одной из важнейших проблем трибологии является проблема повышения износостойкости конструкционных материалов, составляющих трибосопряжения и узлы трения, именно поэтому наряду с улучшением антифрикционных характеристик, снижение износа относится к приоритетным инженерным задачам.

5 Надежность и долговечность автомобильного и других видов транспорта во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в узлах машин. Трение при изнашивании приводит: • к нарушению герметичности узлов, • теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений • к заклиниванию и к вибрациям, что приводит к поломкам. • потери энергии • перегрев механизмов, • снижению передаваемых усилий • повышенному расходу горючего и других материалов.

6 Положительноя роль трения без трения не работаю тормоза, нет сцепления при движении колес. Явления трения и изнашивания взаимно обусловлены: трение приводит к изнашиванию, а изнашивание поверхностей деталей в ходе работы приводит к изменению трения.

7 В США в начале 90 -х гг. затраты на ремонт автотранспортных средств составили около 24 млрд. долларов в год. В России же эти расходы (в ценах начала 90 -х гг. ) составили в среднем 40 млрд рублей. Установлено, что из-за износа и плохой регулировки теряется около 15% мощности двигателя. Изношенные ДВС выбрасывают в атмосферу большое количество СО, соединений свинца и других вредных веществ. В связи с этим обострена экологическая проблема применения ДВС. Простои автомобилей из-за технических неисправностей в среднем автохозяйстве достигают 30 -40% календарного времени.

8 На трение расходуется 30. . . 40% всей вырабатываемой в мире энергии, а потери средств в промышленности развитых стран вследствие трения и сопутствующего износа машин и механизмов составляют 4… 5% и более процентов национального дохода. Большинство машин (85 -90%) выходят из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость: — для автомобилей в 6 раз; — для самолетов до 5 раз; — для металлорежущих станков до 8 раз. На ремонт тракторов задействовано в 4 раза больше производственных мощностей, чем на их изготовление. Легковой автомобиль, имеющий массу 1000 кг, становится непригодным для ремонта, если потеря его массы от износа составит 1 кг. Подсчитано, что до списания трактора Т-130 на запасные части для ремонта и технического обслуживания нужно израсходовать столько же металла, сколько он весит сам – 12 10⋅3 кг.

9 В России из-за отставания от международного технологического уровня производства автомобильные ДВС имеют весьма малый ресурс дизельные двигатели — порядка 7500 моточасов. После ремонта ресурс сокращается до 2500 -3000 ч. Автомобили (грузовые) за весь срок службы ремонтируют до 5 раз, как правило, в полукустарных условиях, что приводит к резкому снижению технико-экономических показателей. Трудозатраты за срок службы автотранспорта : 1, 4% — на изготовление; 45, 4% — на техническое обслуживание; 46% — на текущий ремонт; 7, 2% — на капитальный ремонт.

10 Данные, опубликованные в Великобритании в 90 -х годах от внедрения достижений трибологии. Результаты внедрения по статьям Годовой эффект, млн ф. ст. Снижение потребления энергии 28 Сокращение ручного труда 10 Снижение затрат на смазочные материалы 10 Снижение затрат на обслуживание и ремонт 230 Исключение потерь, связанных с поломками 115 Интенсификация использования оборудования и повышение КПД 22 Экономия вложений за счет повышения долговечности 100 Итого:

11 п овышение износостойкости деталей трибосопряжений и должны проводиться в тесной кооперации конструкторских, технологических триботехнических решений. В этой связи весьма важное значение приобретают знания в области триботехнического материаловедения.

12 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Термины представлены исходя из требований ГОСТ 27674 «Трение, изнашивание и смазка» . (далее трение ) – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкасания поверхностей по касательным к ним.

13 Трибосопряжение (ТС) – две функционально связанные детали (вал – втулка, два зубчатых колеса и др. ). ТС согласно ЕСКД может быть отнесено к сборочной единице или изделию, состоящего из двух составных частей. Триботехническая система (ТТС) – сложная термодинамическая система, образуемая из нескольких трибосопряжений и узлов трения, а также промежуточной среды и части окружающей среды, в которой происходит преобразование энергии механической (механического движения) в другие виды (тепло, колебания и др. ) и передача преобразованной энергии тепла. ТТС согласно ГОСТ 2. 101. “Виды изделий” относится к изделию. ТТС и ТС – изделия, при использовании расходуют свой ресурс (физический износ). Процесс использования изделия обозначается термином «эксплуатация» . К изделиям относятся машины, станки, аппараты, приборы, их узлы.

14 Трибология – наука о трении, смазке и изнашивании контактирующих тел. Название происходит от греческих слов «Трибос» — трение и «логос» — наука. Термин впервые употреблен П. Джостом в 1966 г. в докладе специальной комиссии министерства образования и науки Великобритании. Трибология, как наука, имеет научно-технические разделы : • триботехнику, • трибохимию, • трибофизику, • Триботехническое материаловедение, • трибомеханику, • триботехнологию, • трибомониторинг (трибометрия и трибодиагностика), • трибоинформатику и др.

15 Триботехника – прикладной раздел трибологии, который охватывает конечную стадию процесса создания трибосопряжений (ТС) и триботехнических систем (ТТС), с учетом достижений науки трибологии. Принципы триботехники реализуются в методах расчета и конструирования, технологиях формообразования деталей и триботехнологий, испытаний, смазывания, эксплуатации, диагностирования и ремонта изнашивающихся поверхностей деталей ТС, узлов трения, механизмов и ТТС.

16 Трибохимия – изучает воздействие контактирующих поверхностей с химически активной средой. Она исследует проблемы коррозии при трении, химические основы избирательного переноса и взаимодействие на поверхность деталей химически активных веществ, образующихся при трении вследствие деструкции полимеров или смазочного материала. Трибофизика – это направление современной физики, изучающее процессы и явления, происходящие в реальных системах тел (ТС, ТТС), где тела контактируют друг с другом в условиях взаимного перемещения. Трибофизика включает такие разделы, как термодинамика, статистическая физика, электродинамика, кинетика и др.

17 Трибомеханика – изучает механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении. Она рассматривает законы рассеяния энергии, импульса, а также механическое подобие, релаксационные колебания при трении, реверсивное трение, уравнения гидродинамики и др. применительно к задачам трения, изнашивания и смазывания. Триботехнология – это направление в технологии машиностроения и трибологии, предметом исследования и разработки которой являются технологические методы инженерии поверхностей ТС. В современной трибологии термин инженерия поверхности определяет быстро развивающуюся область технологий воздействия на поверхность, таких как нанесение покрытий, поверхностная обработка и модификация.

18 Триботехнология охватывает две крупные области приложения трибологии: изучение процессов формообразования деталей узлов трения, обработки материалов разными методами во взаимосвязи с триботехническими характеристиками трибосопряжений; разработка технологических методов получения требуемых триботехнических характеристик поверхностей трения.

19 Задачи первой области – реализация процесса создания деталей ТС (зубчатые, винтовые, цепные передачи и др. ). При этом оптимизация условий фрикционного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью путем рационального использования смазочно-охлаждающих технологических сред, назначение рациональных режимов резания и параметров геометрии инструмента позволяют управлять качеством поверхности трения, повышать износостойкость инструментов и снижать энергетические затраты.

20 Задачи второй области применения триботехнологии – управление триботехническими характеристиками поверхностей трения – решается главным образом путем разработки специальных методов модифицирующей упрочняющей обработки. При этом модификация свойств поверхностных слоев трущихся деталей достигается модифицированием структуры или химического состава материалов. В этой области триботехнология тесно смыкается с трибоматериаловедением как по решаемым задачам повышения триботехнических характеристик ТС, так и по используемым методам исследования.

21 • Трибомониторинг – раздел трибологии, включающий трибометрию и трибодиагностику, охватывает методы и средства измерения основных параметров фрикционного взаимодействия: силы (моменты), трения, износа, температуры, шероховатости, волнистости, контурной и фактической площадей касания, контактной деформации (сближения), электрической проводимости и др. • Трибометрия – раздел трибологии о методах испытаний на трение и изнашивание деталей ТС и узлов трения. В соответствии с целью и условиями проведения, испытания могут быть модельными – в условиях лаборатории, стендовыми – в условиях близких к практическим и натурные – в реальных или приближенных к реальным условиям эксплуатации. При подборе материалов для ТС лабораторные и стендовые испытания предпочтительно выполнять ускоренными, чтобы сократить время начальной стадии подбора материалов и смазок. • Трибодиагностика – раздел трибологии о методах и средствах непрерывного контроля состояния фрикционных параметров деталей и узлов машин. Она оценивает характер работы ТС в реальном времени и месте, прогнозируя ее изнашивание и принятие мер, необходимых для обеспечения безотказной длительной работы с оптимальными триботехническими характеристиками.

22 Трибоинформатика – раздел трибологии о закономерностях получения трибологической информации, ее преобразования, хранения и передачи для использования в науке, образовании и производстве.

23 Триботехнические характеристики материалов: Изнашивание – процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопление его остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Значение износа может выражаться в единицах длины, объема, массы и др. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Относительная износостойкость – отношение интенсивности изнашивания одного материала к интенсивности изнашивания другого в одинаковых условиях (обычно один из материалов принимается за эталон). Относительная износостойкость ε – это время (мин), в течение которого объемный износ образца составит 1 мм 3. Интенсивность изнашивания – отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы.

24 Совместимость материалов при трении – свойство материалов, сопряженных поверхностей предотвращать схватывание при трении; способность обеспечивать оптимальное состояние трибосистемы (элементов узлов трения) в заданном диапазоне условий работы по выбранным критериям. Прилегаемость материалов при трении – свойство материала при трении увеличивать поверхность трения упругим и пластическим деформированием поверхностного слоя; Прирабатываемость – способность трущихся тел в начальный период трения постепенно улучшать контактирование поверхностей за счет их сглаживания, что при постоянных внешних условиях сопровождается снижением коэффициента трения, интенсивности изнашивания и уменьшением выделения тепла. Часто лучшей прирабатываемостью обладают менее износостойкие материалы, поэтому для улучшения прирабатываемости материалов с высокой износостойкостью рекомендуется наносить специальный приработочный слой. Прирабатываемость является важной эксплуатационной характеристикой материала.

25 Способность к поглощению твердых частиц – свойство материала поглощать твердые частицы, чтобы уменьшить их царапающее или режущее действие. К таким материалам могут быть отнесены смазочные материалы. Хотя смазочные материалы относятся к конструкционным материалам, однако в данном пособии они не рассматриваются в виду большого объема информации о них. Они и изучаются дисциплиной «Основы теории смазки и смазочные материалы» .

26 Считается, что основными направлениями работ по существенному повышению эксплуатационных свойств транспортных средств на основе использования трибологии являются следующие: 1. совершенствование конструкции узлов трения транспортных машин, снижение материалоемкости, веса, повышение надежности и ресурса; 2. применение новых материалов и технологий для повышения износостойкости и несущей способности пар трения; 3. разработка и применение смазочных материалов четвертого и пятого поколений, на которые уже переходят развитые страны; 4. использование экологически чистых методов эксплуатации, новых антифрикционных и фрикционных материалов с повышенными параметрами, не содержащих асбест, свинец, соединения тяжелых металлов и другие токсичные и канцерогенные вещества;

275. совершенствование конструкции уплотнений, обеспечивающих низкое трение, герметичность и исключающих попадание абразива в сопряжения деталей; 6. ускорение перевода транспортных энергетических установок на более эффективные и экологически чистые энергоносители: топливный газ, электроэнергию, водород, солнечную энергию, применение энергоемких аккумуляторов энергии, как электрохимических, так и механических. Применение эффективных каталитических устройств газоочистки; 7. повышение образовательного уровня инженеров-конструкторов, технологов и эксплуатационников в области трения, износа, смазки и других проблем трибологии.

28 Таким образом, чтобы создать износостойкое и надежное ТС и ТТС необходимо использовать разнообразные аспекты знаний трибологии, в частности трибохимии, трибоматериаловедения и трибофизики и др.

29 ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОНТАКТИРОВАНИИ И ТРЕНИИ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ В технике трение является инициатором деформационных, динамических, тепловых, акустических, электрических, адгезионных и других процессов, определяющих ресурс работоспособности узлов трения машин, их энергетику и эффективность. Первичной проблемой при изучении трения является контактирование соприкасающихся поверхностей. В понятие контактирования входит взаимодействие поверхностей, принадлежащих твердым телам, под действием относительного смещения и сжимающих сил с учетом их отклонения от идеальной формы и влияния среды (газы и смазочные материалы), присутствующей в зоне контакта.

30 Отклонениями от идеальной формы, которые считаются макроскопическими, являются неплоскостность, извернутость, волнистость и т. п. Они обычно имеют масштаб, измеряемый в диапазоне 10 -3 -10 -4 м. Макроскопические неровности несут на себе микронеровности, измеряемые на уровне 10 -5 — 10 -6 м. В свою очередь микронеровности имеют субшероховатость порядка молекулярных размеров. В основе представлений о фрикционном взаимодействии шероховатых поверхностей лежит понятие о площади соприкосновения трущихся тел.

31 Анализ контактирования и оценка площади соприкосновения При случайном расположении шероховатостей на поверхностях контактирующих тел контактное сближение этих тел под действием внешней нагрузки лимитирует фактическая площадь соприкосновения, определяемая геометрией контактирующих поверхностей. На рис. показаны основные характеристики геометрии шероховатых поверхностей: шероховатость с максимальной высотой профиля Rmax , волнистость с максимальной высотой волны Rwmax и макроотклонения от горизонтальной базовой плоскости с размером .

32 Для оценки шероховатости используются: оптические, щуповые, электронно-микроскопически е и другие методы. Промышленное применение приобрел щуповой метод. Суть его заключается в том, что по поверхности скользит игла с радиусом закругления 2 -10 мкм, значительно меньшим, чем радиус закругления вершин микронеровностей. Колебания иглы в вертикальном направлении преобразуются в электрические сигналы, поступающие в микропроцессор, который выдает в цифровом виде основные характеристики профиля. В России профилографы серийно выпускает завод «Калибр» За рубежом наиболее распространены приборы фирмы «Хьюлет-Паккард» .

33 Игла 1 скользит по шероховатой поверхности и вместе с якорем 2 поворачивается относительно призмы 3, в результате чего меняется зазор между якорем 2 и сердечником 4, что генерирует переменный сигнал в катушках 5 и 6, который усиливается блоком 7 и регистрируется на ленте 10 самописца 8, а также стрелочным прибором 9. 7 9 6 5 11 8 1 4 2 3 10 12 Схема профилографа Микропроцессор 11 предназначен для вычисления стандартных показателей микрогеометрии, которые высвечиваются на цифровом табло. Для исключения влияния волнистости призма прибора прикреплена к шаровой опоре 12. Шаровая опора обеспечивает скольжение по вершинам микровыступов, огибая волны, поскольку если опора будет скользить по плоской гладкой поверхности, то одновременно будут записываться шероховатость и волнистость.

34 Прибор позволяет изменять в широком диапазоне масштаб увеличения по осям Х и Y. Возможно увеличение по оси Y до 100000 раз. В последние годы разработаны методы получения профилограмм на растровом, электронном и сканирующем (туннельном) микроскопах. Разрешение в этом случае достигает нанометров. Удается регистрировать шероховатость молекулярных размеров (субмикрошероховатость), а также микродефекты кристаллической структуры.

35 Основные характеристики микрогеометрии соответствуют действующим в России ГОСТ 2789 -73.

36 Установленные этим стандартом характеристики шероховатостей представлены на рис. а) — характеристики шероховатостей; б) — опорная кривая. L B y Rp Hmax hi a D li yi D tp A r x tm Rmax Hmin C 1 а б tp

37 Основные из них высотные: Ra , Rz и Rmax и шаг микронеровностей. L B y Rp Hmax hi a D li yi D tp A r x tm Rmax Hmin C 1 а б tp

38 Наиболее часто в технике применяют характеристику R a — среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля шероховатостей от средней линии в пределах базовой длины L : n 1 i i L 0 a. y n 1 dxxy L 1 R L — базовая длина, в пределах которой находится достаточно представительное число микронеровностей с точки зрения статистики; У i — расстояние точки профиля от средней линии, n — число точек профиля, в которых измерено У i . Положение средней линии АА находится из соображения о том, что она делит площадь профиля пополам

39 L — базовая длина, в пределах которой находится достаточно представительное число микронеровностей с точки зрения статистики; У i — расстояние точки профиля от средней линии, n — число точек профиля, в которых измерено У i . Положение средней линии АА находится из соображения о том, что она делит площадь профиля пополам Профиль заключен между линиями выступов ВВ и впадин СС, которые проводятся через вершины самых высоких выступов и самые низкие точки впадин. )0 ydx( L

40 Параметр R z — характеризует среднее расстояние между пятью высшими вершинами выступов и пятью низшими точками впадин: 5 1 imin 5 1 imaxz. HH 5 1 R

41 Расстояние между линиями выступов и впадин ( Rmax ) равно толщине шероховатого слоя. Удаление линии выступов от средней линии обозначается R p. Кроме перечисленных характеристик используются также средний шаг микронеровностей, средний угол наклона профиля, средний радиус закругления выступа. По своей форме выступы напоминают пологие горные хребты. Угол при вершине для всех видов обработки обычно заключен в интервале от 150 до 176 0. Наиболее близким по форме к реальному выступу является эллипсоид.

42 Обычно шероховатость имеет направленный характер, отражающий траекторию движения обрабатывающего инструмента. В связи с этим профилограммы снимают в продольном и поперечном направлениях. Средний радиус вершины выступа находят как среднегеометрическое из значений, измеренных в продольной и поперечной профилограммах: ср. попер. cp. прод. cp. rrr

43 Для статистического анализа и представления характеристик шероховатых поверхностей используют закон распределения материала по глубине шероховатого слоя на выбранной базовой длине L , который характеризует опорная кривая. L B y Rp Hmax hi a D li yi D tp A r x tm Rmax Hmin C 1 а б tp

44 Эту кривую получают как зависимость относительной суммы сечений микровыступов от относительного сближения.

45 Для аналитического описания опорной кривой используют степенную функцию. Начальный участок опорной кривой принято описывать выражением параметры опорной кривой

Число выступов по мере удаления от верхней границы шероховатого слоя меняется по закону: 46 где n 0 — число выступов, вершины которых лежат выше средней линии

Cтандартом предусмотрено 14 классов шероховатости. В таблице для примера приведены данные шероховатости наиболее ответственных деталей ДВС автомобилей. Используя рассмотренные здесь стандартные характеристики, решают задачу оценки фактической площади контакта шероховатых поверхностей (ФПК).

На рис. показана структурная схема площади контакта. Площадки фактического контакта Ari сгруппированы на площадях касания волн, совокупность которых составляет контурную площадь контакта A сi (КПК). Общая площадь соприкасания тел (кажущаяся), в пределах которой заключены ФПК и КПК, называется номинальной площадью контакта А а (НПК). 48 Структурные компоненты реального контакта шерохо-ватых поверхностей: а — номинальная площадь контакта; сi — контурная площадка; ri — фактическая площадь единичного пятна контакта.

Суммарная площадь фактического контакта

На рис. приведен контакт шероховатой поверхности с гладкой , что упрощает задачу. Результаты можно перенести на контакт двух шероховатых поверхностей. 50 В В х Rp а В dx В 1 В Х Ni a B 1 dx B 1 r

Считается, что в узлах трения деформация выступов невелика по сравнению с их размером, то можно пренебречь искажением формы и считать, что площадка контакта Аri равна площади сечения выступа на расстоянии от вершины равном деформации а i , которую называют сближением.

A c — контурная площадь контакта. Из рис. выразим площадь сечения сферического выступа с вершиной в слое dx на уровне, удаленном на а от верхней границы: 52. xaπr 2ΔA s В Х Ni a B 1 dx B 1 r

Формула для вычисления сближения имеет вид 53 n 0 — число выступов, вершины которых лежат выше средней линии; A c — контурная площадь контакта; N — нормальная нагрузка; r — радиус выступа; НВ — твердость по Бринелю, которая определяется как частное от деления нагрузки на площадь отпечатка, оставшегося после внедрения твердого шарика в пластичный материал. 1 — параметр опорной кривой.

Важно, что для приработанных поверхностей узлов трения характерен упругий контакт. Пластический контакт может частично проявиться при первых нагружениях, когда сжимаются наиболее высокие выступы. Последующие нагружения происходят уже в условиях, приближенных к упругому контакту. Пластический контакт имеет место также при обработке материалов резанием, ковкой, штамповкой, прессованием, накаткой и др.

Пример. Формирование ФПК резин, поскольку они широко используются в узлах машин и механизмов и, в особенности, в автотранспортных средствах. Резины, независимо от природы (на основе натуральных или искусственных каучуков), имеют чрезвычайно низкий модуль упругости (порядка 5 -30 МПа). Коэффициент Пуассона у них близок к 0, 5, следовательно, даже при небольших давлениях они подчиняются закону Паскаля, ведут себя как жидкости

Зависимость площади фактического контакта (ФПК) резины от номинального давления 56 Аа Аr Р=E Р. В отличие от твердых тел, уже при давлении порядка значения модуля упругости, фактическая площадь контакта у них приближается по величине к номинальной площади. На рис. показан примерный график зависимости ФПК от номинального давления.

Величину ФПК можно рассчитать по уточненной формуле Бартенева Г. М. — Лаврентьева В. В. : 57 2/3 a 1 ar EN/Aδ e. K 1 AAK 1 =0, 8 1; 1, 2( r/R z ) 1/3 ; = n 0 /n m , n m — число оснований выступов в расчете на единицу номинальной площади контакта; Е — модуль упругости резины; n o — число выступов, пересеченных средним уровнем

Приведенные формулы для расчета ФПК не учитывают влияния времени действия нагрузки и температуры. Все материалы в большей или меньшей степени обладают вязкоупругостью и вязкопластичностью, т. е. упругая и пластическая деформации возникают не мгновенно после нагружения, а развиваются во времени. Скорость нарастания деформации увеличивается с повышением температуры.

Такое поведение материалов, приводящее к изменению ФПК в зависимости от температуры и времени, описывается с помощью реологических моделей в рамках науки реологии. На рис. представлены простейшие модели, описывающие отдельные стороны поведения материалов.

Первая модель (рис. ) характеризует идеальную упругость (тело Гука). Для нее связь между напряжением ( ) и деформацией ( ) дается законом Гука: .

Вторая модель (рис. ) отражает вязкое течение (тело-Ньютона). Для нее применима формула Ньютона: — относительная деформация сдвига. 61 d ε dzdx εη dtd ε η dzdt dx η dzd. V ησ

Третья модель (рис. ) характеризует переход к пластической деформации (тело Сен-Венана): 62 εsignσσ тsign — обозначение ступенчато изменяющейся функции.

Если > т , то элементы 1, 2 являются одним целым ( 0), если т — элементы скользят относительно друга, тело неограниченно пластически деформируется ( ).

Остальные модели это комбинации из первых трех моделей (рис. г, д, е), отражающие в первом приближении свойства реальных тел.

Первой (рис. г) является модель Кельвина-Фойгта, учитывая, что общее напряжение здесь воспринимается телами Гука и Ньютона: 65 εηεEσσσ η

Считая const и интегрируя, получаем закон развития деформации во времени (уравнение *): Если в какой-то момент времени тело разгрузить ( ), то интегрируя уравнение (*), получим закон снижения деформации во времени: 66 t η E exp 1 E σ εОтношение называют временем релаксации. τt η E expεετ 0 t η

Для модели Максвелла (рис. д) приложении нагрузки сначала мгновенно деформируется тело Гука, а затем вступает в действие тело Ньютона. Поскольку тела соединены последовательно, то напряжения у них одинаковы. Скорость деформации системы складывается из скоростей для обоих тел: 67. η σ Е σ εεε ηЕ

68 Если принять, что const , интегрируя, получаем закон снижения напряжения во времени: t η E expσσ 0 0 — напряжение в начальный момент.

Обе модели (рис. г, д) характеризуют поведение вязкоупругих тел.

Модель Прандтля (рис. е) характеризует поведение вязкопластичных тел. 70 . εεε-при εsingnσσ ; εεε- при Еεσ тт. т тт. Здесь — упругая деформация при т , т — предел текучести. Пока т , деформируется только тело Гука. Как только т , деформация неограниченно нарастает из-за проскальзывания тела Сен-Венана при постоянной деформации упругого элемента

На рис. изображены реологические кривые для моделей Кельвина-Фойгта, Максвелла и Прандтля. Однако поведение реальных материалов в зоне контакта оказывается обычно сложнее, чем для рассмотренных моделей, поэтому приходится создавать более сложные композиции.

Однако поведение реальных материалов в зоне контакта оказывается обычно сложнее, чем для рассмотренных моделей, поэтому приходится создавать более сложные композиции. В качестве примера (рис. Ж) приведена модель, использованная в работах А. Ю. Ишлинского и И. В. Крагельского для объяснения зависимости силы трения от скорости скольжения.

Влияние температуры и времени на ФПК наиболее заметно проявляется при пластическом контакте. Рост ФПК при повышении температуры в основном обусловлен снижением твердости, происходящим по экспоненциальному закону. Временная зависимость ФПК при постоянной нагрузке для металлов удовлетворительно описывается формулой 73 mm 1 m 2 rt. HBt /HBtt. NΔA А rt — изменение ФПК за промежуток времени t 2 -t 1 , t HB — время выдержки под нагрузкой шарового наконечника при определении твердости по Бринелю, m — реологическая постоянная материала

• где Аrt — изменение ФПК за промежуток времени t 2 -t 1 , t HB — время выдержки под нагрузкой шарового наконечника при определении твердости по Бринелю, m — реологическая постоянная материала.

Экспериментальные методы измерения ФПК. Все методы разделены на 2 группы: методы, основанные на изучении оттиска поверхности, и методы, основанные на прямом или косвенном измерении площади в условиях контактирования.

Первая группа методов легче реализуется, но требует нарушения контакта. Сюда относятся методы измерения с использованием индикаторных пленок люминофоров, радиоизотопов, красящих веществ, наносимых на одну из контактирующих поверхностей. Поверхности после контактирования разнимают и с помощью планиметра измеряют площадь пятен. Все методы имеют индивидуальные источники погрешностей.

Наиболее точные результаты дают 3 метода: метод угольных пленок, метод оценки переноса атомов материала одной поверхности на другую метод измерения площадок сжатия выступов при контакте шероховатого тела с гладким.

Первый метод наиболее прост и доступен. На поверхность одной из деталей пары, покрытой тончайшим слоем смазки, напыляется в низком вакууме тонкая (толщиной до 1 мкм) пленка угля. Затем на напыленную поверхность накладывают вторую деталь пары и сжимают их приложением нормальной нагрузки. В местах контакта пленка разрушается, и светлые пятна касания отчетливо видны на черном фоне. Их площадь легко измерить планиметрированием.

Второй метод заключается в обследовании побывавшей в контакте поверхности на растровом электронном микроскопе с рентгеновским микроанализатором, который настраивается на материал контртела. Анализатор регистрирует пятна контакта, как совокупность перенесенных при взаимодействии атомов контр-тела.

Третий метод основан на измерении площадок смятия выступов металлических шероховатых тел после их контактирования с плоской твердой гладкой поверхностью. Площадки видны, как зеркальные пятна на сером фоне. Измерения проводятся в автоматическом режиме с использованием телевизионных планиметров. Метод применим только в условиях пластического контакта.

Вторая группа методов позволяет измерять ФПК в условиях взаимодействия поверхностей. К ней относится метод нарушения полного внутреннего отражения (НПВО). Схема метода показана на рис. Луч света 1 падает под углом, большим предельного, на грань прозрачной призмы и испытывает полное внутреннее отражение. К призме прижимается шероховатое тело. В местах контакта полное внутреннее отражение нарушается, и пятна контакта в лучах отраженного света 2 выглядят темными на светлом фоне.

Применение метода ограничено узким выбором прозрачного материала, в качестве которого обычно используется стекло, обладающее низкой прочностью. 82 Р и с. Схема оптического метода оценки шероховатостей (метод НПВО)

Другим методом является измерение электросопротивления контакта, по которому можно рассчитать ФПК. Здесь главным источником погрешности является наличие на поверхностях пленок окислов, проводимость которых много меньше, чем у металлов.

КОНЕЦ