Виды трения

(Источник: http://www.bigpi.biysk.ru)

        При исследовании явления трения между двумя твердыми телами различают три основных вида трения: сухое, граничное и жидкостное.
        Сухое трение. Сухое трение проявляется при взаимном относительном движении двух очищенных и высушенных твердых тел, находящихся в естественном контакте друг с другом. Под «естественным контактом» понимается непосредственное и тесное соприкосновение тел, возможное при минимальной загрязненности их поверхностей. Для выявления сухого трения сначала путем обработки с применением моющих средств и растворителей удаляют все масляные загрязнения. Затем наждачной бумагой наименьшей зернистости снимают немасляные загрязнения. После прополаскивания в дважды перегнанном спирте или эфире образцы высушиваются в инертной атмосфере или чистом воздухе. Считается, что очищенные и высушенные таким образом поверхности отвечают условиям сухого трения.
        Основополагающим является понятие статического коэффициента сухого трения (коэффициента трения покоя). Этот коэффициент f дается выражением

где  F – максимальная сила трения в момент трогания (рубежная сила статического трения), N – сила нормального давления на поверхности их контакта (т.н. нормальная сила)
        Граничное трение. Образец для исследования граничного трения подготавливается так же, как и в случае сухого трения. Однако после очистки и сушки на его поверхность наносят тонкую пленку чистого смазочного материала известной молекулярной структуры с известными физико-химическими свойствами. Самой тонкой пленкой применительно к смазке является пленка толщиной в одну молекулу. Поэтому лабораторные исследования граничного трения обычно проводятся с телами, трущиеся поверхности которых покрыты мономолекулярным слоем смазки.
        Толщина пленки определяется в первую очередь общей формой поверхности и ее шероховатостью. Даже самые совершенные из существующих методов механической обработки не дают абсолютно ровной и гладкой поверхности. На практике вес образца, лежащего на плоскости, не распределяется равномерно по всей площади основания образца, а передается и воспринимается многочисленными отдельными микро выступами, имеющимися на обеих поверхностях. Как показал эксперимент, истинная площадь контакта может быть в тысячу раз меньше площади основания образца.
        Очевидно, что смазочная пленка (между исследуемым образцом и плоскостью), толщина которой несколько больше максимальной высоты выступов, будет полностью разделять две трущиеся поверхности. В случае поверхностей, обработанных по высшему классу чистоты, это условие выполняется при толщине пленки порядка 50–70 мкм, и тогда контактная пара ведет себя в соответствии с законами гидродинамики (см. ниже «Жидкостное трение»). Однако в режиме граничного трения смазочная пленка слишком тонка, чтобы она могла обеспечить полное разделение трущихся поверхностей. Самые высокие выступы обеих поверхностей при движении задевают друг за друга. При этом локальное контактное давление может быть столь большим, что возможна деформация материала. Интенсивность выделения энергии на микро участках деформации нередко бывает такой, что происходят высокотемпературные вспышки частиц материала.
        Износ. В режиме сухого или граничного трения противолежащие выступы контактирующих поверхностей трутся друг о друга и изнашиваются. По степени и характеру фрикционный износ может варьироваться в широких пределах от желательного (специальная операция тонкого полирования – притирки – в контролируемых условиях) до истирания, заедания и разрушения.
        Если пока не учитывать влияния химического состава смазочного материала, то можно представить себе несколько упрощенный механизм износа контактной пары, работающей в условиях граничного трения. В точках локального контакта возникают напряжения сдвига, превышающие предел упругости, а температура материала повышается. Происходит срыв материала с верхушек выступов, а из-за своей ограниченной подвижности соседние молекулы смазки не успевают закрыть обнажившиеся участки контактной поверхности; они остаются чистыми и химически активными. В результате образуются и при дальнейшем движении тут же разрушаются многочисленные мостики микро сварки двух соприкасающихся поверхностей. При этом механическая энергия движения преобразуется в тепловую с повышением температуры поверхности. Разрыв мостиков микро сварки дополнительно приводит к локальному резкому и значительному повышению температуры. В результате начинается химическое разложение смазки с образованием окислов, карбидов и смолистых отложений и медленно, но неуклонно снижается качество смазки. Ухудшение состояния поверхностей трения ускоряется из-за абразивного действия множества оторвавшихся частичек материала контактной пары. Все эти эффекты приводят к общему усилению трения, увеличению энергетических затрат и интенсификации износа.
        Очевидно, что работа машин и механизмов в условиях граничного трения крайне нежелательна по двум причинам: из-за потерь энергии и из-за риска отказа трущихся элементов вследствие неизбежного их изнашивания. Для эффективной работы системы (с небольшим трением и без износа) необходимо, чтобы трущиеся элементы были всегда и полностью разделены слоем смазки при их движении и полностью разделены в период отсутствия движения.
        Первое из этих требований выполняется путем оптимизации проектирования. При вращении шипа (шейки вала) в подшипнике в условиях жидкостного трения за счет внутреннего давления жидкости автоматически поддерживается такая толщина пленки смазочного материала, при которой поверхности кинематической пары, пока она работает, не могут прийти в прямое соприкосновение. Когда же машина останавливается, гидравлический подпор шейки вала в подшипнике прекращается, и толщина пленки смазки под шейкой уменьшается вследствие ее выдавливания силой тяжести вала. Само по себе это не страшно, но при последующем включении машины проходит некоторое время, пока не установится режим жидкостного трения. В этот начальный период подшипник работает в условиях граничного трения. В тяжелом механическом оборудовании некоторых типов предусматривается подача смазки в подшипник под давлением через отверстия и по канавкам в области контакта, благодаря чему перед пуском создается достаточно толстая, полностью защищающая поверхности контакта смазочная пленка.
        Химическое влияние смазки. От химических свойств смазочного материала существенно зависит развитие таких нежелательных явлений, как коррозия, образование смолистого остатка и углеродистых отложений. Установлено также, что некоторые химические компоненты смазки весьма способствуют уменьшению трения и износа. В условиях граничного трения химические свойства смазки гораздо важнее физических (вязкости, плотности, температуры вспышки и затвердевания). В условиях же жидкостного трения картина обратная. Так, например, вязкость смазки, не играющая большой роли при граничном трении, крайне важна в режиме жидкостного трения. Основным фактором в условиях граничного трения (тонкой пленки) является химическая структура молекул смазочного материала.
        Роль молекулярных сил в граничном трении. На свободной поверхности чистого твердого тела действуют молекулярные силы притяжения. Внутри тела такие силы уравновешиваются, а на поверхности остаются неуравновешенными и могут образовывать прочные связи с активными молекулами, если последние приблизятся на достаточное расстояние. Радиус действия этих сил порядка долей нанометра. Свободные силы, действующие на поверхности, могут быть почти полностью нейтрализованы одним слоем нанесенных на нее активных молекул.
        Это иллюстрируется следующим опытом. Предметное стекло микроскопа промывают чистящим средством и, когда оно высохнет, обливают слабым раствором пальмитиновой кислоты в чистом бензоле, а затем тщательно протирают тампонами из чистой тонкой (папиросной) бумаги. Если после такой обработки стекло окунуть в чистую воду и вынуть, оно останется совершенно сухим. Это свидетельствует о том, что водоотталкивающий слой молекул пальмитиновой кислоты образует прочное поверхностное соединение и не удаляется простым стиранием. При стирании удаляется вся нанесенная пальмитиновая кислота, кроме мономолекулярного слоя, поскольку поверхностные молекулярные силы резко ослабевают за пределами толщины первого, адсорбированного слоя. Этот прочный слой можно удалить сильным окислительным агентом, химически разрушающим молекулы пальмитиновой кислоты, или абразивом, удаляющим их механически.
        Пальмитиновая кислота, химическая формула которой имеет вид COOH–(CH₂)₁₄–CH₃, относится к классу органических соединений, молекулы которых обнаруживают высокую полярную активность с одного конца. Метильная группа CH₃ на одном конце длинной цепной молекулы пальмитиновой кислоты неактивна, так как ее валентности заполнены. На другом же конце молекулы расположена очень активная карбоксильная группа COOH. Такая молекула связывается с поверхностью своим полярным концом. Электронограммы показывают, что связанный слой состоит из плотно «упакованных» молекул, образующих как бы ковер, толщина которого равна длине одной молекулы. При этом молекулы ориентированы относительно поверхности под углом около 90 к ней.
        Поведение хорошо очищенного минерального масла медицинского качества удивительно контрастирует с поведением такого соединения, как пальмитиновая кислота. Углеводородные медицинские масла полностью насыщены, т.е. их молекулы не имеют незаполненных валентных связей и, следовательно, неактивны. Пленка медицинского масла, нанесенная на предметное стекло в опыте типа описанного выше, легко удаляется простым стиранием, оставляя поверхность, легко смачиваемую водой. Очевидно, что силы связи в этом случае очень слабы, и пленка медицинского масла, по толщине соответствующая граничному трению, не может служить защитой от изнашивания поверхности.
        Ранее способность смазочного материала уменьшать трение объясняли его «маслянистостью». Считалось, что маслянистость – это особое свойство масла, не связанное с его вязкостью. Теперь известно, что маслянистость есть результат взаимодействия молекулярных сил, существующих на свободной поверхности, с молекулярными силами, действующими на полярных концах ненасыщенных молекул в контактном слое смазки. Интересно, что половины процента активных молекул в смазочном материале достаточно, чтобы заметно уменьшить трение. Это объясняется тем, что такие молекулы селективно адсорбируются на контактной поверхности.
       Жидкостное трение. О режиме жидкостного трения можно говорить, когда движущиеся поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и непосредственный контакт элементов пары отсутствует. Трение в этом случае сводится к вязкостному сопротивлению в самом слое смазки, обусловленному сдвигом соседних слоев пленки, т.е. к внутреннему трению. Пока такая жидкая пленка цела, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прилипала к движущимся поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзывания смазки относительно поверхностей.
        Вязкость. Вязкость жидкости определяется соотношением, которое экспериментально установил И.Ньютон. Если пространство между двумя горизонтальными параллельными пластинами заполнено жидкостью и меньшая верхняя пластина движется с постоянной скоростью, тогда как нижняя остается на месте, то выполняется равенство: