Влияние скорости скольжения и температуры на свойства контакта и фрикционные колебания

В работе [2] приведены основные реологические модели, характеризующие поведение материалов в зоне контакта. Рост ФПК и силы трения в зависимости от времени неподвижного контакта объясняет схема И.В. Крагельского и А.Ю. Ишлинского, приведенная на рис. 1.7,ж.

Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения V в виде экспоненциальной функции предложили И.В. Крагельский и В.С. Щедров:

. (1.49)

Параметры а, в, с, d характеризуют режим скольжения и свойства материалов пары трения. Параметр а зависит от физических свойств материалов и шероховатости, в и с зависят от вязкости и нагрузки, d зависит от конструкции узла трения и режима скольжения. Однако влияние скорости на свойства контакта при небольшом ее изменении само по себе невелико.

Но существенный рост скорости приводит к значительному повышению температуры контакта, поскольку мощность трения (F×V) превращается в теплоту. Рост температуры в свою очередь вызывает заметное изменение свойств материалов в зоне контакта, резко снижается твердость. Поскольку увеличивается ФПК, снижается интенсивность молекулярного взаимодействия (t₀, b), происходят химические превращения в поверхностных слоях. При очень больших скоростях скольжения возможно оплавление поверхности, и сухое трение переходит в гидродинамическое. В общем случае наблюдается снижение коэффициента трения с ростом температуры.

Теория тепловых процессов, протекающих при трении, в России наиболее полно разработана профессором А.В. Чичинадзе и его научной школой. В соответствии с этой теорией максимальную температуру на пятне контакта можно представить в виде суммы:

, (1.50)

где T₀ - исходная температура пары трения, T_v - средняя объемная температура элемента пары, T_S - средняя температура на номинальной (контурной) площади контакта, T_B - температурная вспышка на пятне контакта. Эти факторы опосредованы теплопроводностью пары трения.

Задачу теплопроводности обычно формулируют в следующем виде: найти распределение температур в элементах пары трения, когда на контакте действует переменный по времени и положению источник теплоты, а со свободных поверхностей происходит теплоотдача в окружающую среду. При этом учитывают изменение теплофизических характеристик материалов в зависимости от температуры. Решение задачи позволяет рассчитать T_V, T_S, T_B в условиях работы тормозов, сцепления и других узлов трения. Расчеты и эксперименты показали, что T_max может, даже при сравнительно небольших скоростях, достигать сотен градусов, что приводит к заметным изменениям свойств материалов в тонком поверхностном слое.

При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.). Такие колебания называют фрикционными. Причинами колебаний являются реологические свойства контакта, а также упругие свойства элементов пары трения и их связей с другими деталями. Главным проявлением реологии контакта является рост ФПК, а следовательно, и статической силы трения с увеличением времени неподвижного контакта и скачкообразное падение силы трения при переходе от покоя к движению, а затем падение силы трения с ростом скорости скольжения, вызванное, главным образом, скачком температуры на пятнах контакта. Динамическая модель такой системы изображена на рис. 1.17.

Модель представляет собой последовательно соединенные тела Кельвина-Фойгта и Сен-Венана. Если в целях упрощения принять, что h=0, m=const , то 2-й закон Ньютона для колебаний ползуна запишется в виде:

. (1.51)

Решение этого уравнения позволяет найти законы движения ползуна и колебаний тягового усилия. На рис. 1.18 показан примерный график колебаний тягового усилия. Наиболее обстоятельные теоретические решения в этой области выполнены в МГТУ им. Баумана Ф.Р. Геккером и его учениками.

В зависимости от уровня гашения (вязкости системы m) колебания могут существовать либо не возникать. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании.