Файл: Комбалов, В. С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ.pdf

сил трения на этих участках возникает продольная шерохова­ тость регулярного профиля. Продольная шероховатость может образовываться в условиях идеально упругого контакта за счет разрушения поверхностного слоя под влиянием сил трения. Ес­ ли износ идет за счет отшелушивания пленок окисла, то про­ дольная шероховатость практически не наблюдается. Если же­ сткий индентор движется по упругому полупространству, покры­ тому достаточно толстым слоем пластического материала, то механизм возникновения шероховатости аналогичен только что рассмотренному. Именно по этому механизму образуются не­ ровности перед светофором.

Рядом исследователей было обнаружено при трении пласт­ масс и металлов образование волн, расположенных перпенди­ кулярно к направлению движения [4, 82]. Возникновение по­ перечных неровностей было отмечено также при трении метал­ лов об абразивную массу.

Из существующих многочисленных механизмов образования поперечной шероховатости рассмотрим два наиболее существен­ ных. Первый характеризуется режимом пластического наруше­ ния фрикционных связей или режимом микрорезания. В этом случае периодический профиль образующейся шероховатости на более мягком материале пары (различие твердости, обусловлен­ ное механическими или геометрическими свойствами, является обязательным условием формирования поперечной шероховато­ сти) копирует форму выступов более твердого тела и может быть представлен проекцией сечения этих выступов на плос­ кость, перпендикулярную к вектору скорости. В первом прибли­ жении он определяется профилограммой, снятой перпендику­ лярно к направлению движения.

В последующем образовавшаяся поперечная шероховатость, состоящая из продольных канавок, несколько мигрирует по оси Оу, т. е. осуществляется процесс пластического передеформирования неровности твердого тела. Так как в процессе трения мо­ жет происходить смещение по оси Оу, то образовавшиеся канав­ ки пересекаются под очень малыми углами [34, 122].

'Вторым фактором, влияющим на поперечную шероховатость, является ее изменение в процессе изнашивания за счет упругого взаимодействия единичных выступов неровности, скользящей по канавке. Здесь поперечная шероховатость может быть обуслов­ лена разрушением тонкого поверхностного слоя. Шаг неровно­ стей, их высота значительно меньше, чем шаг и высота неровно­

52

возможные колебания нагрузок, вибрации и многие другие факторы.

В нашу задачу не входило определение'формы образующих­ ся неровностей при рассмотрении механизма образования неров­ ности. Мы ставим перед собой гораздо более узкую задачу: вы­ яснить причины, которые приводят к тому, что шероховатость воспроизводится, а параметры шероховатости стремятся к не­ которому определенному значению, а также выявить факторы, которые влияют на параметры этой шероховатости. Не вдаваясь в детали, можно полагать, что очень низкие и плоские, с малы­ ми углами наклона неровности и острые, высокие, с большими углами наклона неровности являются менее «жизнеспособны­ ми», чем неровности, имеющие промежуточную конфигурацию, для которых сумма, обусловленная молекулярной и механиче­ ской слагаемыми сопротивления трения, будет минимальной.

Аналогичные предположения высказывает Б. В. Протасов [79]: «...Процесс постоянного разрушения и обновления микро­ рельефа, сохраняя элементы более прочные в конкретных усло­ виях трения и износа, при длительном действии приводит к пре­ обладающему количеству таких элементов...»

§ 3. Расчетные уравнения для определения равновесной шероховатости

Молекулярно-механическая теория трения и усталостная теория изнашивания позволяет рассчитать равновесную шероховатость трущихся поверхностей, исходя из следующих допущений.

Исходная шероховатость состоит из совокупности различных по величине и геометрическому очертанию неровностей; в про­ цессе приработки эти неровности будут подвержены воздействию различных касательных и нормальных напряжений. Значитель­ ным интенсивным воздействиям будут подвержены наиболее высокие неровности, которые за счет больших напряжений будут либо срезаться, либо пластически деформироваться. Наиболее пологие неровности также будут испытывать интенсивное воз­ действие за счет большой адгезии, что приведет к значительно­ му изменению их геометрического очертания. Поэтому в ансамб­ ле неровностей, имеющих различную высоту и радиус закругле­ ния, в более благоприятных условиях окажутся промежуточные по своим размерам неровности. Эти неровности будут превали­ рующими на приработанной' поверхности. Для таких прирабо­ танных поверхностей сила трения будет иметь минимальное значение. Таким образом, равновесная шероховатость для уста­ новившегося процесса соответствует минимальному значению сил трения при прочих равных условиях.

При выводе расчетного уравнения введем следующие пред­ положения:

53

1) приработка приводит к такой конфигурации неровностей, при которой реализуется упругий контакт;

2) при контактировании двух упруго деформируемых поверх­ ностей учитывается, что между ними возникают силы молеку­ лярного взаимодействия, подчиняющиеся биномиальной зависи­ мости Tn = T0+ip/\;

3)контактирующие тела отличаются друг от друга по уп­ ругим свойствам настолько, что деформациями более жесткого тела, по сравнению с деформациями более мягкого тела, можно пренебречь; это упрощает расчет площадей касания и сил тре­ ния;

4)более твердое тело под нагрузкой внедряется в более мяг­ кое тело; это предположение было подтверждено эксперимен­ тально [95];

5)поскольку рассчитывается установившаяся шерохова­ тость, возникающая в стационарных условиях трения, учитыва­ ются физико-механические свойства тел для этих условий. Вол­ нистость контактирующих поверхностей не рассматривается.

Следует отметить, что предположение 3 относится к частно­ му случаю задачи о контактировании деформируемой мягкой поверхности с твердой шероховатой. В более общем случае контактирования двух твердых шероховатых поверхностей учи­ тываются деформации их микронеровностей и механические свойства двух поверхностей [19, 20].

Исходя из этих предположений и принятой модели, в кото­ рой шероховатая поверхность скользит по упруго деформируе­ мому полупространству, произведем соответствующий расчет.

Применяемая трехчленная формула для расчета коэффици­ ента трения [55] принимает вид:

верхности коэффициент трения проходит через минимум (IV.4). Эксперименты показали, что процесс приработки на первых этапах характеризуется значительным износом и разогревом поверхностей трения, сопровождаемых изменением шерохова­ тости. По истечении некоторого времени температура в зоне контакта уменьшается и достигает постоянного значения, при этом шероховатость стабилизируется, коэффициент трения па­ дает и далее при сохранении режима трения (нагрузка, ско­ рость, смазка) не меняется. Как показали эксперименты, значе­ ние, до которого падает коэффициент трения, является мини­ мальным для данных условий работы пары трения. Этим усло­

виям соответствует и минимальный износ трущейся пары. Минимальное значение коэффициента трения соответствует

54

Учитывая эти условия и принимая во внимание значения Л и В, получим в общем виде следующую формулу для расчета крите­ рия шероховатости Л*, соответствующую минимуму коэффици­ ента трения:

ские характеристики пары трения, условия нагружения и адге­

вающие коэффициент трения с учетом величины сближения по­ верхностей /г, нормальной нагрузки N, контурного давления Яс, фактического давления Рг и безразмерного комплексного критерия шероховатости А*. Рассмотрим общий случай контак­ тирования двух твердых шероховатых поверхностей. Для опреде­ ления коэффициентов А и В воспользуемся разработанными И. В. Крагельским [52] и Н. Б. Демкиным [20] зависимостями меж­ ду фактической площадью касания Аг и величиной сближения поверхности h.

Для случая контактирования двух шероховатых поверхностей относительная площадь касания определяется степенным выра­ жением

выступов при некотором сближении от площади контакта при том же сближении; в зависимости от характера деформации а изменяется от 0,5 до 1, хотя при очень больших давлениях может

55

Показатель обобщенной опорной кривой определяется по фор­

,Сах *£ах2

Преобразуя формулу (IV.7) с учетом соотношений (IV.8) и (IV.9), получим

Исходя из формулы (IV.7) для сферической модели микро­ неровностей, в случае упругого контакта получим уравнения для относительной площади касания и относительного сближения:

где jii и |д2 — коэффициенты Пуассона для первого и второго

56