Внешнее трение и изнашивание шероховатых поверхностей

План

1. Контакт твердых тел.
2. Физико-механических свойства поверхностных слоев.
3. Контакт шероховатой поверхности

 {spoiler=Подробнее}

Для осуществления процесса трения двух твердых тел необхо­димым условием является контакт их поверхностей или взаимо­действие этих тел. Характер явлений, происходящих при контакте поверхностей твердых тел, определяется физико-механическими свойствами и микрогеометрией этих поверхностей,

         Физико-механические свойства поверхностных слоев деталей существенно отличаются от объемных свойств материалов, из ко­торых они изготовлены. На поверхности металлов, как правило, имеются окисные пленки. Свойства материала в поверхностном слое зависят от характера обработки. При обработке материала режущим или абразивным инструментом на поверхности детали образуется зона пластической деформации (наклеп), которая имеет большую микротвердость и остаточные напряжения.

         Поверхности деталей машин имеют неровности - шерохова­тость, волнистость и макроотклонения формы (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема микрогеометрии  поверхности твердого тела:

1-волнистость; 2-шероховатость; 3-макроотклонения формы.

         Шероховатостью по­верхности (ГОСТ 2789-73) называют совокупность не­ровностей с относительно малым шагом l (2-800 мкм) и высотой R_mах (0,02-400 мкм), образующих рельеф поверхности детали и рассматриваемых на опре­деленной базовой длине  (80-8000 мкм). Для шеро­ховатости l/R_mах < 50.

         Волнистостью поверхности называют совокупность регуляр­но повторяющихся неровностей с относительно большим шагом L(L/H_В =50... 1000), превышающим принимаемую при измерении шероховатости базовую длину. Здесь Н_В - высота волны.

         Макроотклонения (погрешности) формы имеют единичный, ре­гулярно неповторяющийся характер с отношением шага к высоте, большим 1000 (выпуклость, вогнутость, конусность и т. д.).

         Шероховатость поверхности характеризуется следующими па­раметрами (одним или несколькими):

         1. Среднее арифметическое отклонение профиля

                или                              (2.1)

где l - базовая длина (рис. 2.2), y-расстояние между любой точ­кой профиля и средней линией профиля.

         2. Высота неровностей профиля по десяти точкам R_z

             (2-2)

         где  H_{i max}, H_{i min} - соответственно высота выступов и впадин.

Рис. 2.2. Схема шероховатой по­верхности тел.

         3. Наибольшая высота неровностей профиля R_max (расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пре­делах базовой длины).

         4. Средний шаг неровностей профиля S_т.

         5. Средний шаг неровностей профиля по вершинам S.

         6. Относительная опорная длина профиля t_Р (отношение опор­ной длины профиля к базовой длине):

                     (2.3)

         где p - уровень сечения профиля; b_i - длина отрезков в пределах базовой длины, отсекаемых на уровне p в материале выступов профиля линией, эквидистантной средней линии.

         Данные характеристики микрогеометрии можно получить в результате обработки профилограмм, представляющих собой увели­ченный профиль шероховатой поверхности (рис. 2.3).

         Кроме указанных шести стандартных характеристик шерохова­тости по профилограммам, снятым в поперечном и продольном направлениях, можно определить и дополнительные характеристики - наибольшую высоту выступа R_p=H_1max (расстояние между линией выступов и средней линией, рис. 2.2), средний радиус кривизны вершин выступов r и средний угол наклона неровностей профиля j. Приведенный средний радиус кривизны вершин выступов r равен

         (2.3)

где r_п r_пр - средние значения радиусов кривизны вершин выступов для поперечной и продольной профилограмм.

Рис. 2.3. Профилограммы поверхности деталей (вертикаль­ное увеличение в 40 раз больше горизон­тального): а - в поперечном направлении; б - в  продольной направлении.

         Пользуясь профилограммой, можно построить опорную кривую, характеризующую распределение материала по высоте шероховатого слоя (рис. 2.4). Для этого профилограмму разбивают на ряд горизонтальных уровней, параллельных средней линии, затем суммируют участки, ограничивающие ширину выступов Dl_i на рассматриваемом уровне р.

Рис.  2.4.  Схема по­строения опорной кривой.

         В относительных величинах опорная кривая (точнее начальная ее часть от вершины до средней линии) может быть аппроксими­рована степенной функцией

                      (2.5)

Здесь t_р - относительная опорная длина профиля (стандартная ха­рактеристика);

         а-сближение; К_тax - наибольшая высота неровноcти профиля (стандартная характеристика); b, n -  параметры опорной кривой;

                                  (2.6)  

где t_т - относительная оперная длина профиля по средней линии (рассчитывают по профилограмме); R_p - наибольшая высота высту­па (расстояние от средней линии до вершины самого высокого выступа). В первом приближении иногда принимают R_p= R_max./2 При контактировании деталей машин в результате волнистости площадь контакта отличается от номинальной (А_а), пятна контакта группируются на вершинах волн на отдельных участках, которые в со­вокупности  составляют контурную площадь контакта (А_с). Фактической площадью контакта (А_r) называют площадь, на которой осуществляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость   поверхности (рис. 2.5). Контурная площадь контакта составляет 5-15% от номинальной. Площадь фактического контакта обычно мала - 0,01-0,1% от номинальной площади. Размера пятен фактического контакта, образованных при деформации отдельных микровыступов, равны 3-50 мкм.

Рис. 2.5. Номинальная (А_а), контурная (А_с) и фактическая (А_r) площади контакта поверхности

         Отношение р_а = N/A_a называют номинальным давлением (где N ' нормальная нагрузка), p_c=N/A_c контурным давлением p_r=N/A_r и фактическим давлением.

         Фактическую площадь контакта рассчитывают по контурной площади

           (2.7)

         Так, например, для упругой деформация воля при R_mах<0,1Н_в контурная площадь равна

               (2.8)

а контурное давление будет

                      (2.9)

         Здесь Н_в - высота волны; R_в - радиус волны; q_S - упругая постоянная двух деформируемых поверхностей;

                      (2.10)

где и - коэффициенты Пуассона деформируемых поверхностей; Е, и Е₂ - модули упругости деформируемых поверхностей.

         Фактическое давление при упругой деформации выступов двух     шероховатых поверхностей рассчитывают по формуле

                        (2.11)

при пластической деформации выступов

                           (2.12)

где Н - микротвердость менее твердой поверхности. И, наконец, при повторном нагружении пластически деформированных поверх­ностей фактическое давление будет

                                         (2-13)

где N₀ - нормальная нагрузка при первом нагружении.

         Под влиянием нагрузки в результате внедрения, пластической и упругой деформации микронеровностей и волн происходит сближение поверхностей. Суммарное сближение поверхностей составит

                                       (2.14)

где h - сближение за счет внедрения и деформации микронеровностей; h_в - сближение в  результате деформации   волн. На рис. 2.6 представлена зависимость сближения от контурного давления.

         Расчет сближения двух шерохо­ватых поверхностей приближенно (без учета волнистости) производится по формуле

                                   (2.15)

с учетом волнистости

                      (2.16)

         Элементарные акты взаимодействия поверхностей, приводящие к возникновению трения и износа, осуществляются, как уже отме­чалось, на пятнах фактического контакта. Число пятен фактичес­кого контакта можно рассчитать по формуле

                              (2.17)

где К_r - коэффициент, учитывающий характер контакта выступов; для упругого контакта К_r=11, для пластического К_r=21.

         Средняя площадь DA_r одного пятна контакта

                                (2.18)

         Среднее расстояние между пятнами контакта S_r

                          (2.19)

         От размера пятен контакта зависят размер частиц износа, вре­мя взаимодействия на единичном контакте и температура, разви­ваемая при трении. Среднее расстояние между пятнами факти­ческого контакта влияет на частоту взаимодействия пятен при трении.

         Следует помнить, что фактическое давление р_r на контакте очень велико. Это часто приводит к пластической деформации' выступов. В ряде случаев в зоне контакта возникает ползучесть, вследствие чего характеристики контакта во времени могут изменяться при неизменности прилагаемой внешней нагрузки. Эти так называемые реологические свойства контакта особенно сильно ­проявляются с повышением температуры в зоне контакта.

{/spoilers}