Метод комплексного определения коэффициента трения и его составляющих

Введение.

Адгезия (от лат. adhaesio — прилипание) в физике — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием (Ван-дер-Ваальсовыми, полярным, иногда — образованием химических связей или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, то есть сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, то есть разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.

Адгезия существенно влияет на природу трения соприкасающихся поверхностей: так, при взаимодействии поверхностей с низкой адгезией трение минимально. В качестве примера можно привести политетрафторэтилен (тефлон), который в силу низкого значения адгезии в сочетании с большинством материалов обладает низким коэффициентом трения. Некоторые вещества со слоистой кристаллической решёткой (графит, дисульфид молибдена), характеризующиеся одновременно низкими значениями адгезии и когезии, применяются в качестве твёрдых смазок.

Наиболее известные адгезионные эффекты капиллярность, смачиваемость/несмачиваемость, поверхностное натяжение, мениск жидкости в узком капилляре, трение покоя двух абсолютно гладких поверхностей. Критерием адгезии в некоторых случаях может быть время отрыва слоя материала определенного размера от другого материала в ламинарномпотоке жидкости.

Адгезия имеет место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий. Адгезия матрицы и наполнителя композитов (композиционных материалов) является также одним из важнейших факторов, влияющих на их прочность.

В биологии клеточная адгезия — не просто соединение клеток между собой, а такое их соединение, которое приводит к формированию определённых правильных типов гистологических структур, специфичных для данных типов клеток. Специфичность клеточной адгезии определяется наличием на поверхности клеток белков клеточной адгезии —интегринов, кадгеринов и др.

МЕТОД КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИХ

 

Коэффициент трения равен сумме двух составляющих: адгезионной, обусловленной молекулярным взаимодействием твердых тел в зонах фактического касания, и деформационной, обусловленной деформированием поверхностных слоев твердых тел при трении.

Адгезионную составляющую коэффициента трения для реальных условий трения вычислить не удается, поэтому её находят экспериментально. Величина адгезионной составляющей зависит от касательных напряжений на границе раздела твердых тел. Последние обусловлены молекулярным взаимодействием на границе раздела и деформированием материала поверхности субмикронеровностями и зависит от нормальных напряжений на контакте. Измерение касательных напряжений () в зависимости от нормальных () подчиняется уравнению:

где величина касательных напряжений, не зависящая от нормальных;

В-коэффициент пропорциональности.

Для комплексного исследования коэффициента трения и его составляющих твердый шаровой индентор, сжимаемый между плоскими параллельными друг другу образцами, вращают относительно оси симметрии, а затем, при фиксированных плоских образцах, перемещают его линейно.

На базе приборов изготовлена установка, позволяющая исследовать прочность адгезионной связи между разноименными материалами в условиях температур 20...1000°С, причем предусмотрен косвенный нагрев нижнего образца. Схема прибора приведена на рис.1. Индентор 1, выполненный в виде двухстороннего сферического пуансона общей длиной 25...30 мм, жестко закреплен в специальном диске 2 с кольцевым наружным пазом для укладки тросика 3. Подогрев нижнего образца (державки) осуществляется путем пропускания электрического тока через шину и державку. Контроль температуры осуществляется термопарой. Образец 2 разогревается за счет теплопередачи от державки. Включение электротока производилось после установки образцов, индентора и приложения сжимающей силы N.

В соответствии со схемой на рис.1 нахождение формулы для расчета прочности адгезионной связи заключается в следующем.

Исследование когезионно-адгезионного взаимодействия между разноименными материалами проводилось при нормальной нагрузке, соответствующей примерно таким же нормальным давлениям, какие имеют место в узлах трения. Радиус полусферы индентора был принят равным 2,5 мм. Рабочие поверхности образцов и индентора полировались до шероховатости Ra=0,16 мкм и обезжиривались спиртом и мелкодисперсным порошком активированного угля. Силы сжатия обеспечивали не только необходимую площадь фактического контакта, но и определенное растекание поверхностей, приводящих к выдавливанию инородных покрытий и выходу в контакт чистых "ювенильных" металлических поверхностей.

Усилие, необходимое для преодоления адгезионного взаимодействия записывалось на самописце БВ-662. На рис.1 представлена типичная запись Fэкс. Эта запись имеет три характерные зоны: в первой зоне происходит предварительное смещение, определяющееся видом поверхностных связей, которые образуются при статическом контакте и дополнительно формируются в начале движения; во второй зоне начинается вращение индентора относительно образцов;

зоне происходит движение с возникновением адгезионных связей, их упрочнением, срезом, возникновением новых связей.

В соответствии с этими процессами происходит колебание величины силы Fэкс. После тарировки и расшифровки данные третьей зоны принимались за основу для нахождения Fэкс. Она определялась как среднеинтегральная величина равная.

 

 

Адгезионная составляющая

Адгезионная составляющая равна, таким образом, нескольким процентам от деформационной составляющей. Необходимо, однако, иметь в виду, что для относительно гладких поверхностей с шероховатостями малого радиуса кривизны роль адгезионной составляющей значительно возрастает.

Адгезионная составляющая силы трения при данной природе взаимодействующих тел (при данном /) зависит от площади контакта S0 между трубами и стенками скважины. Вид этой функции может быть различным в зависимости от условий.

Адгезионная составляющая коэффициента трения падает (при упругом контакте), так как давление возрастает, а затем остается постоянным при пластическом контакте.

Адгезионная составляющая силы трения возрастает с увеличением давления прессования, но уменьшается с повышением скорости прессования, поскольку прочность адгезионной связи зависит от времени ее формирования.

Адгезионная составляющая коэффициента трения падает (при упругом контакте), так как давление возрастает, а затем остается постоянным при пластическом контакте.

Адгезионная составляющая силы трения обусловливается молекулярным взаимодействием атомов поверхностей пары трения во время цикла напряжения, разрыва и релаксации. На рис. 2.7 показано раздельно возникновение общей силы трения при скольжении относительно одиночного выступа за счет адгезионной и деформационной составляющих. Последняя обусловлена запаздыванием восстанавливаемости эластомера после вдавливания в него выступа твердой опоры. При этом происходит рассеивание энергии за счет гистерезиса и рост силы трения, в результате чего эта ее составляющая названа гистере-зисной.

Если адгезионная составляющая сопротивления перемещению поверхностей трения имеет основное значение, коэфф.

Ря - адгезионная составляющая силы сопротивления; / - механическое сопротивление, обусловливаемое наличием замков; Fx д - механическое сопротивление, обусловливаемое жесткостью нижней части колонны и конфигурацией долота; Fy - добавочное сопротивление на устье скважины; Fa д - адгезионные силы на участках контакта боковой поверхности труб (вне площади, через которую передается давление на стенку скважины); Рж - сопротивление, обусловливаемое движением жидкости.

В условиях мокрых дорог адгезионная составляющая силы трения скользящей с высокой скоростью шины практически равна нулю, поэтому гистерезисная составляющая должна быть по возможности высокой, чтобы обеспечить торможение. Это может быть достигнуто путем изготовления протектора шин из резины с высоким гистерезисом.

Как следует из (7), адгезионная составляющая коэффициента трения обратно пропорциональна фактическому контактному давлению.

Слабая зависимость удельной фактической силы трения от скорости скольжения говорит о том, что адгезионная составляющая силы трения пластиков также мало зависит от скорости скольжения.

Из соотношения (2.76), а также из анализа величины диссипации энергии в цикле сближения-удаления упругих тел с учетом адгезионных связей различной природы, изложенного в 2.4, следует, что адгезионная составляющая Fa силы сопротивления при качении зависит от плотности и формы неровностей, а также от величины поверхностной энергии и модуля упругости основания в случае сухих поверхностей и от модуля упругости основания, толщины пленки жидкости и ее поверхностного натяжения - при взаимодействии смоченных поверхностей, а также при взаимодействии во влажной среде. Кроме того, для смоченных поверхностей в некоторых случаях (например, большой слой жидкости на поверхности, малая величина поверностного натяжения, жесткое основание) величина адгезионной составляющей сопротивления качению равна нулю.

Сила трения, возникающая между движущимися телами, состоит из адгезионной и деформационной компонент, как было показано в гл. Адгезионная составляющая обусловлена поверхностными эффектами на глубине, не превышающей молекулярных размеров. Деформационная составляющая определяется объемными свойствами материала. Точная природа адгезии до настоящего времени не выяснена, хотя ясно, что она проявляется в образовании и разрушении связей на молекулярном уровне. В случае металлов образование связей и их последующее разрушение при относительном скольжении происходит на макроскопическом уровне, однако это можно рассматривать только как следствие, а не как причину адгезии. Аналогично для эластомеров можно считать, что адгезия есть результат проявления макроскопического механизма, а причина адгезии - проявление молекулярного механизма.

Можно считать, что внешнее трение полимеров представляет собой диссипативный энергетический процесс, приводящий к разрушению и износу поверхностных слоев твердых тел. Адгезионная составляющая отражает поверхностный эффект, обусловленный молекулярно-кинетическими процессами, а гистеризисная связана с объемными процессами деформирования микровыступов. Проявление адгезионного механизма трения в случае гладкой поверхности и в случае шероховатой поверхности приводит к существенно разным результатам. При скольжении полимера по твердой поверхности с четкой макроструктурой с большой скоростью в сухих условиях - появляются и адгезионная, и гистерезисная составляющие.

Поверхность тефлона несомненно обладает смазывающим действием, которое приводит к снижению эффективной сдвиговой прочности и полностью нивелирует увеличение Кг, наблюдаемое при трении по другим поверхностям. Таким образом, адгезионная составляющая силы трения по тефлону значительно ниже, чем при трении по другим исследованным поверхностям.

Поверхность индентора считается гладкой, температурные эффекты принимаются постоянными внутри контактной площади при скольжении. Принимается также, что адгезионная составляющая силы трения пренебрежительно мала.

Повышение прочности склеивания после механической обработки композиционных полимерных материалов, например стеклопластиков [115, 299, 306], может быть объяснено выходом на поверхность полярного наполнителя. Однако при этом увеличивается не только адгезионная составляющая прочности, но и когезионная прочность поверхностного слоя соединяемых материалов.

Одна из трудностей в определении гистерезисной составляющей силы трения заключается в том, что почти всегда, даже в случае применения смазки, имеет место адгезия. При очень высоких скоростях скольжения преобладает гистерезисная составляющая, а адгезионная составляющая снижается смазкой до пренебрежительно малой величины.

При переходе из высокоэластического состояния в стеклообразное происходит замена одного молекулярного механизма трения другим. В стеклообразном состоянии сила трения образуется из. Чем больше адгезионная составляющая, тем больше и объемно-механические потери, которые связаны с внутренним-трением в самом полимере. Низкотемпературный максимум при -: температуре ГМ2 существенно связан с механическими потерями. При исследовании фрикционных свойств эластомеров в атмосфере при повышенных температурах на кривой Ff (T) (рис. 13.12) появляется еще высокотемпературный максимум, связанный с интенсификацией процессов окисления поверхностных слоев.

Влияние нагрузки на трение зависит от вида контактного взаимодействия трущихся поверхностей - упругого или пластического. Как следует из работы, адгезионная составляющая коэффициента трения обратно пропорциональна значению фактического контактного давления.

Величина этого коэффициента зависит как от деформации в точках микроконтакта, так и от размеров фактической площади касания тины с дорогой. Деформация в точках микроконтакта зависит от типа дороги, шероховатости на ее поверхности, материала шины. Материалом для шин обычно служит резина, поэтому деформации в зоне микроконтакта - упругие, и деформационная составляющая коэффициента сцепления в этом случае обусловливается гистерезисными потерями. Адгезионная составляющая обусловлена молекулярно-кинетическим взаимодействием резины с материалом дороги. Так как на величину адгезионной составляющей влияют условия погоды, то в тех случаях, когда требуется высокий коэффициент трения вне зависимости от состояния поверхности дороги, последнюю желательно делать более шероховатой, чтобы увеличить деформационную составляющую.

Под влиянием сжимающей силы поверхности тел соприкасаются по мере их сближения во все большем количестве точек. Сначала взаимодействующие элементы поверхностей деформируются упруго, затем, по мере возрастания нагрузки, упругая деформация сменяется на пластическую. С увеличением давления механическая составляющая коэффициента трения возрастает (рис. 13.2), ибо площадь касания примерно пропорциональна силе нормального давления, а сопротивление зависит от деформируемого объема поверхностного слоя. При возрастании давления адгезионная составляющая коэффициента трения сначала уменьшается (при упругом контакте), так как площадь контакта и адгезия возрастают с увеличением давления слабее, чем давление, а затем остается постоянной (при пластическом контакте), так как площадь пластического контакта пропорциональна силе нормального давления. В целом это приводит к тому, что коэффициент трения скольжения проходит через минимум, соответствующий переходу упругого контакта в пластический. Адгезионная составляющая с повышением температуры уменьшается.

Максимальное действие силы прихвата приходится на первые минуты контакта бурового инструмента с фильтрационной коркой. Сила прихвата возрастает с повышением температуры среды. Большое значение имеют адгезионные силы между металлом и породой. Установлено, что при большом содержании твердой фазы в буровом растворе, солевой и термосолевой агрессии среды, незначительном содержании в растворе смазывающих добавок адгезионная составляющая силы прихвата растет.

Для упругого и пластического контактов глубина внедрения может быть вычислена на основании механических свойств контактирующих тел и параметров шероховатости их поверхности. Сопоставление расчета с экспериментами показало, что механическая составляющая достаточно точно определяется расчетом. В случае единичного пластического контакта с увеличением нагрузки механическая составляющая коэффициента трения возрастает в степени 1 / 2, а адгезионная составляющая остается неизменной. Суммарный коэффициент трения / уменьшается с увеличением твердости и радиуса единичной микронеровности. При упругом контакте коэффициент трения переходит через минимум при увеличении нагрузки и монотонно уменьшается при увеличении модуля упругости.

Под влиянием сжимающей силы поверхности тел соприкасаются по мере их сближения во все большем количестве точек. Сначала взаимодействующие элементы поверхностей деформируются упруго, затем, по мере возрастания нагрузки, упругая деформация сменяется на пластическую. С увеличением давления механическая составляющая коэффициента трения возрастает (рис. 13.2), ибо площадь касания примерно пропорциональна силе нормального давления, а сопротивление зависит от деформируемого объема поверхностного слоя. При возрастании давления адгезионная составляющая коэффициента трения сначала уменьшается (при упругом контакте), так как площадь контакта и адгезия возрастают с увеличением давления слабее, чем давление, а затем остается постоянной (при пластическом контакте), так как площадь пластического контакта пропорциональна силе нормального давления. В целом это приводит к тому, что коэффициент трения скольжения проходит через минимум, соответствующий переходу упругого контакта в пластический. Адгезионная составляющая с повышением температуры уменьшается.

 

 

Список литературы:

1) Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977. 221 с.

2) Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. — М.: Наука, 1973.

3) Фрейдин А. С. Свойства и расчет адгезионных соединений. — М.: Химия, 1990.

4) Метод определения прочности адгезионной связи на срез / И.В. Крагельский [и др.] // Заводская лаб. 1970. + №7. + С.852+854.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: