CC BY
60
Секция механики
УДК 539.375
В.И. Бутенко, О.В. Морозов, А.В. Пушкарный
АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНАЯ СУЩНОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТОВ
ТРЕНИЯ
В зоне фракционного контакта двух сопряженных деталей, движущихся относительно друг друга со скоростью в, происходит соударение элементов микронеровностей поверхностей и их сминание. На образовавшейся фактической площади касания 5ф развиваются сопротивления,
обусловленные как молекулярными процессами взаимодействия между двумя сопряженными поверхностями деталей (адгезионное сопротивление), так и деформированием их тонких поверхностных слоев. Величина адгезионного сопротивления ¥а при дискретности контактирования сопряженных поверхностей деталей сводится к расчету фактической площади касания 5ф и определению величины удельной молекулярной силы
трения /т на одном пятне касания:
^а = /т^ф ■ (!)
Удельная молекулярная сила трения /т определяется сложными процессами, протекающими на единичном пятне касания, так как для разъединения сопряженных поверхностей необходимо затратить работу Щ > включающую две составляющие: одна из них зависит только от
свойств атомов, испытывающих силу притяжения (Щ), другая определяется воздействием свойств атомов лежащих ниже слоев (Щ,). В общем случае для разъединения двух трущихся поверхностей деталей необходимо увеличить потенциальную энергию атомов верхних слоев на строго определенную величину за счет сообщения энергии извне. Таким образом, энергия в зоне контакта сопряженных поверхностей деталей превышает энергию, которую имеют атомы (или молекулы), расположенные в более глубоких слоях материала поверхностного слоя деталей.
Независимо от природы сил притяжения можно предположить, что работа на их преодоление пропорциональна числу контактирующих ато-
Щ1
одной микронеровности равна произведению числа этих атомов N на элементарную работу Аю, затраченную на преодоление связи между дву-
Щ,
менно контактирующих атомов ЛГ, времени жизни фрикционного контакта Т и плотности потока энергии и, передаваемой каждым атомом (моле-
Щ
ление силы притяжения поверхности детали с N1 микронеровностями, составит:
Щ = В1 Аю##1 + В2 и N , (2)
где В1,В2,В3,В4,В5,В6- коэффициенты пропорциональности; N1 - число микронеровностей на второй поверхности сопряженной детали, взаимодействующих с одной неровностью первой поверхности на пути трения.
Щ
ния взаимодействующих атомов ¥а на площади фактического контакта при относительном перемещении деталей на пути I, выразится следующим образом:
= NN1 N2(В1Аю + В2ит) , (3)
где N2 - общее число контактирующих неровностей на первой поверхности сопряженной детали.
Принимая число одновременно контактирующих атомов одной микронеровности поверхности детали равным N = ^2/3 [1], N1 ~ — и
г
^ 2, выражение (3) с уЧетом зависимости (1) можно записать в
ВИде
Щ = ¥а— = Яф^2/3 — (В1Аю + В2ит) , (4)
г
где г _ средний радиус закругления вершин неровностей поверхности; N0 - объемная атомная плотность; N0 = Въ(уЛ)2/ъ (у _ плотность ма_ териала детали; А - атомный вес).
Коэффициент адгезионного трения [Ла, под которым понимается отношение сопротивления ¥а, обусловленного преодолением молекулярных связей к нормальной нагрузке Рн, приложенной к поверхностям сопряженных деталей, равен
Я N2/3
Ма = Фр° (В1АЮ + В2ит) . (5)
Площадь фактического контакта двух шероховатых поверхностей может быть определена по формуле [2]
Н
Гг
(6)
где Нтах максимальная высота неровностей поверхности; Е - модуль упругости материала; У1,У2 ~~ показатели степеней (у1 = 3/1, у2 = 6/1).
Площадь фактического контакта двух трущихся поверхностей Т при упругом взаимодействии деталей [1] равна:
((1 - V )2у2
Е&
(7)
при пластичном контакте:
П
Т = — 21/
Р. пг
(8)
где п - ^^^^^^^тент Пуассона; N3 - число атомов в единице объема материала.
Поскольку передача энергии атомов верхних слоев атомам нижних слоев есть следствие каждого независимого колебания одного атома, количество переданной энергии пропорционально также числу возможных независимых перемещений, т.е. числу степеней свободы г. Поэтому коли-
и
шется следующим образом:
и ~ I
і 2у/ л
(9)
Подставив в формулу (5) значения входящих в нее параметров из формул (6)-(9), можно получить выражения для определения коэффициентов трения Ма в зоне фрикционного контакта: упругого
Ма =
н_ Лг4
(10)
пластичного
4
+ А®
Анализ полученных формул (10) и (11) показывает, что коэффициент трения [Ла зависит от таких характеристик, как атомный вес, число степеней свободы, плотность, а также от механических свойств и геометрического очертания контактирующих поверхностей деталей - радиуса и высоты неровностей, причем с увеличением атомного веса коэффициент трения [Ла снижается.
1. Сливко-Колъчик Л.ИшОямолекулярныхяпроцессахянаяфрикционномяконтактезя ьыКонтактныеявзаимодействияягвердыхягеляиярасчетясилягренияяизносашМхя НаукаМ 971Лууфуш тх Крагелъский И.В.иДобычин М.И.иКомбалов В.С:йЭсновыярасчетовянаягрениеяия износ^ёМхгМашиностроениегй 977йт6я;ш
УДК 658. 562:621.01
О.В. Морозов
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ВОПРОСУ О ТРЕНИИ И ИЗНОСЕ
Основная задача при построении модели процесса трения состоит в определении законов и механизмов взаимодействия элементов пары трения между собой, а также с внешней средой.
Для прикладных инженерных расчетов желательно, чтобы число определяющих параметров системы было минимальным. Обычно число параметров, а также соотношение между ними определяются представлениями на микроскопическом уровне о молекулах, атомах, их расположении, силах взаимодействия между ними. Однако учесть все детали таких представлений невозможно из-за их недоступности и большого количества. Поэтому для описания процессов, происходящих в системе, лучше пользоваться макроскопическими параметрами как более доступными.
Рассмотрим поверхностный слой (ПС) как термодинамическую систему, обменивающуюся энергией с внешней средой. При этом виды энергии могут быть различными: механическая, тепловая, электромагнитная и др. Природа того или иного вида энергии определима на макроскопическом уровне.
При взаимодействии происходит обмен энергией между поверхностным слоем и другими элементами системы. Предположим, что поверхностный слой способен накапливать передаваемую ему энергию U, но при этом величина U имеет предельное значение ипред., определяемое физико-механическими характеристиками ПС. Количество энергии, переданное ПС толщиной h, можно определить следующим образом:
ЛИТЕРАТУРА
U=W+Q+E,
где W - работа внешних сил (трения, нормального давления);
