Физическое исследование закономерностей сухого и граничного трения шероховатых поверхностей металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Сухов С.А.

• Сухов С.А.
• 1949

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физическое исследование закономерностей сухого и граничного трения шероховатых поверхностей металлов»

Б связи с развитием техники вопросам трения и износа уделяется всё большее внимание.

Академик Е. А.Чудаков^) во вступительном докладе на-Первой Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах подробно обрисовал современное состояние вопроса о трении и износе и поставил задачи в этой области:

Одним из существенных препятствий в деле повышения Производительности машин является недостаточная износо-. стойкость последних. Усиленный износ, появляющийся в отдельных сочленениях машин, внзнвает необходимость снижения нагрузок, приходящихся на отдельные влементн машины, ; . а тем самш вызывает необходимость увеличения габаритов ;4 и веса машины." '

Мы пршуздеш уне сейчас развивать огромную промышленность по снабжению нашего машинного парка; запасными . чаетши, поэтому даяе небольшой процент снижения.расхода / Запасных частей-.должен дать весьма больной экономический . сД.фект. Наконец, потеря на трение в машинах , которая и . обуславливает появление усиленного износа, такае имеет .;■:.*. . "большое-значение с точки зрения потери энергии, необхо

•димой-для приведения машин в действие.: : " .

Всё сказанное указывает на исключителшо большое

• значение проблеш трения и износа в машинах в деле раз-

- -.Ч - ""

- 2 . вития .аашейг

Бта проблема в научном .отношении разработана очень слабо.

I "Трение и износ представляет собой исключительно слож-< шй прод0сс, сопроБождаю]Щ1йся как чисто механичвс^сиьй1 (упругие и пластические деформации, разрушение)» так и ) физическими и химическими явлениями.Этот процесс обычно весьма сильно осложняется ещё'.тем, что на его.протекание большое влияние оказывает променуточная среда (воздух, смазка), в результате чего соприкасающиеся поверхности трущихся элементов-имеш другие свойстБа , неае4и тот. ма-г териал, из которого гти элементы изготовлены, к настоящему моменту мы. ещё не имеем, достаточно разработанной теории трения и износа, которая обеспечила бы возможность получения , некоторых общих закономерностей в- этой пробле-? ме, как, например, установление величины коэффициента трения в зависимости от. различных условий, подбор сплава металла обеспечивающий наименьшее трение и . износ, и т.д. Все эти вопросы при всём их многообразии в отношении практического приложения разрешаются чисто экспериментально".

Такой эмпирический подход к изучена© трения иизно- -. са не может удовлетворить запросы самой передовой в мире социалистической промышленности.'Необходимо изучить трение; и износ с физической^ химической стороныу вскрить закономерности влементарных. процессових-,обуславливающих^ и, опираясь на ети закономерности., построить теорит трешш, которая даст возможность предсказать, как будут вести себя детали машин в тех. ^ или иных, случаях и каковы наилучшие условия их -работы. Пол-\ неценная теория трения и износа додаша-помочь технологам в выборе материала, качества поверхности и смазки разнообразных

- 3 деталей и узлов механизмов и машин.

Следует подчеркнуть,- указывает академик Ш.А.Чуда- • ков^^,- -что в царской России машиностроительная йшш дрошшденность дочти не была развита. Поэтому все достижения отечественного шшиностроения связаны с тридцатилетним периодом существования Советского государства". .

Советские учёные акад.Е.А.ЧуДаков, О.А.Ребиядер, чл.корр.АН проф.Б.В.Дерягиа, профессора МЛ£.$рущов, Й.В.Краге льский, в.Д.Кузнецов и многие'-другие внесли крупнейший вклад :в науку-о трении и износе. Институт машиноведения АН СССР созвал в 1940 году Всесоюзную конференции по трению и износу в машинах у которая помогла советским учёнш обменяться■опытом и установила основное направления, по которым должны вестись исследования в етой области.

Б резолюций конференции П940 г/^^ отмечается, что "в области изучения трения в отсутствии смазки ш при граничной сказке в результате работ советских учёнш установлено: а)возможность теоретического объяснения отклонения силы трения от закона Кулона при изменении давления., скорости и дру-гах факторов? б)теоретическое объяснение меньшого значения 'ковЭДициента трения покоя для тел, обладавших високой упругость© по сравнению с коэффициентом трения движения; ■ • . в)наличие граничного смазочного слоя, толщиной порядка • десятых долей шкрона, с особыми механическими свойствами; г)наличие поверхностных химических реакций, □овшшодих маслянистость смазок и наличие объёмных химических реакций смазки с металлом, приводящих к химическому разрушению последнего; д)смазки с вюокой масдяшстостый оказывают не только "внешнее смазочное" действие, препятствующее износу, проникая в микрощели слоя металла, прилегающего к поверхности трения, они облегчают пластические деформации и разрывы в металле, ' что ведёт при достаточно высоких давлениях к повышению износа. Таким образом, "внешнее" и "внутреннее" смазочные действия оказывают на износ противополоанЕе влияния; е)облегчение пластического течения металла в наружных слоях под влиянием•активирующих смазку присадок содействует приработке, ускоряет полировку и повшает чистоту обрабатываемой поверхности в процессе обработка металлов резанием и давлением," .

Однако, особенно в области изучения сухого трения и трения при граничной смазке/ предстоит ещё большая работа. В втом направлении Конференция считает обязательной постанов- , ку ряда исследований* в том числе в)дальнейшее исследование свойств граничных смазочных слоев. с целью выяснения механизм** граничной смазки; г)установление, основных закономерностей при трении несмазанных поверхностей и в условиях граничной смазки, характеризующих изменение коэффициента трения в зависимости от скорости, давления, размера поверхности и характера её обработки* д Дальнейшее исследование трения несказанных поверхностей (а также в условиях граничной смазки) с использованием, в частности, метода наблюдения затухания колебаний, предложенного физической лабораторией Станкина ."

В соответствии с решениями- Конференции, автор про- 1 вёл исследование зависимости коэффициента трения от шероховатости несмазашгах поверхностей, а такзке при граничной смазке,

-----------:---—- - ^ «с» ^ ' а* воспользовавшись методикой наблюдения затухающих колебаний.

Проведенные исследования представляют интерес как с теоретической, так и с практической точек, зрения.

Теоретическое значение зтоз работы заключается,- в частности, в том, что она связывает результата исследований Б.В.Дерягина и К.Б.Крагельского в области сухого и граничного трения. Б.В.Дерягин, изучая зависимость силы трения от толщины слоя граничной смазкипользовался только полированными образцами,. а И.В. Крагельский, изучая влияние-шероховатости поверхности, на силу трения, исследовал только несмазанные поверхности^42>44>45>47)^ исследования автора позволяет. 1 объединить и обобщить результаты, полученные й.Б.Крагельским \ и Б.В.Дерягинш. ^

Данная работа приобретает практический-интер'ес в связи с ведущейся в настоящее время дискуссией.о том, какой заключительной обработке нужно подвергать поверхности трущихся деталей машин с целью, полунить низкий износ и меньшее ере------. '., -ч. те. Еще до сих пор. распространено мнение о том, что чем гла-^ же поверхности,, тем меньше, трение и износ деталей. Однайе, не- < / давние исследования ряда авторов показали, что • а)при отсутствии смазки сила статического трения с уменьшением шероховатости возрастает; б)пока нельзя установить непосредственнув связь ьгеаду силой трения и величиной износа, йокно указать на ряд-фрикционных пар, .■ обладающих в определённых условиях низкие коэффициентом трения и шсоким износом. Наряду с етим существуют парн, дающие высокий ковффициент трения и имеющие низкий износ.

- Таким образом, опат показывает, что борьба за снижение силы трения не обязательно влечёт за собой снижение износа, . одного из опаснейших .•■факторов в разрушении машин. Б-ряде слу-•• чаев можно заведомо пойти' на увеличение' сит тренияесли при. этом можно снизить скорости износа.

Несмотря на то, что -связь между силой трения и изно-. сом до сих пор,«О; найдена, физические соображения' подсказывают, что такая; связб должна существовать, в самом деле, не под-' л.ёйит; сомнении, что износ совершается за счёт некоторой доли работа,жреняя, а работа на данном пути пропорциональна силе ' трения. Повидимому, в зависимости от-условий доля работн тре-: нкя,; -расходуемая>за износ, изменяется.г что приводит к 'трудно-" /стям при-попытках связать, трение ,с- нзносш.

Можно наметить такой путь разрешения; задачи о связи, отренйя'й износа. С одной'стороны, следует вести дальнейшие исследования закономерностей трения, а с другой стороны, развивая энергетическую теорию прения • в.Д.Кузнецовапопы- • тат.ься выявитЪ: соотношение-.-мваду отдельшшй-'частями работы;.; прения, расходуемыми.;на-'различные, процессы'-(нагревание;г износ, 'звук, электризация)- в поверхностном слое., фазовые превращения •» т.д.), и как это соотношение зашсат от условий трения. Ре-.аюниё 5тйх .вопросов приведёт к более глубокому; еояймзшш яв- • ■лени й трения ж износа и-их- взаимной связи. . • .двто£- не:.ставит -сваей зда-чей'.раз.даиуь/-8ту-{ши.ро.8уа): - •' и вес . сложную, проблему. Предлагаемая работа направлена на ' одного -из-её, элементов.fio данным ,й.В;.Крагельского •; (42,44)^ сиЛа статического; трения сухих поверхностей по мере | увеличения их • гладкости возрастает. ;$о*яо ли ■ отещца :сделать ■ :■ швод о желательности применения:-»;'трущихся-■■•сопряжениях-машин :; более шероховатых дове^носф# с цел&ю^снижекйЯ^;треш№?-:Яовй~;; ДимСйу, тагсоз заклшение бнлоубы прехдевременнш, во;.первых, '

•потому, что современнне' манишь никогда или .почтхг. никогда, не' 1 работают в условиях сухого трения, а; во-вторых; для расчёта машины конструктора яктересуш главным образом .закономерности трения движения^ га данные: ^В./йрагельского откосят,с я ктрешш' покоя . Вез: оашной ^проверки эти данное 'вряд|пи можно использовать для расчёта .трения: со сказкой (если не жидкостной-,, то хотя бы: граничной) и применить1 их.к тренкэ движения. Здесь; нужно бвт-ь тем более осторожным-, так-как ^.В.Крагельский^^-на основащк яекот орих работ иностранши учёных: предполагает, что закономерность зависимости коб^с! щкента ■ 'трения от. шероховатости- поверхности 'при переходе. от сухого трения к':-.гразйчно^ ' му должна реэ$о измениться^ А шенно, при грашадо^шазк^ • сила трения должна якобза возрастать с ростом шероховатости.

Автор решил .проверить .зто доложение. и такш: образом дать возможности-конструктору, рассчитывающему узла машин; -ра<-ботающие лри граничной/смазке, пользоваться экспериментально установленной.закономерностью. г До сшс пор такая закономерность не'была исследована с достаточнойполнотой-: Про^;ессор Й.М.дащов^^^. указвва . что влияние чистота отделки даоды и-шдшмшшка, аолучаекбш при заключительных методах обработки, на слунебше свойства сопряжения в условиях; несовершенной смазки оста.ётс.^;^^оста~ • точно совещенным.- '.Например:, зз:-194ф году.кошо'. бто констатировать <щаовр.едаенвое, сущвст.вр^яйе:,в-'--ША этому вопросу дщпе 4йаметрально*;врот.ивопоясикж^шенйй: . 1. Полезна ;максимальная .гладкость. повврхнрсуе-Й. трения -Положение' пржагасдар^шое 'аштобтьиой фирмой'^ейс&ерм с х)3десь и в дальнейшем.для- .проетотн автор заменяет заражение '•' "трение при граничной смазке" более коротким. "граничное: -трение". .:■■.■ : : 1

- 8

1938 года; для его реализаций, разработан стой .-же фермой новый процесс окончательной механической обработки поверхности - нсуп0рфивши, который введен в жизнь.

2. Полезна определенная шероховатость поверхйостей трений - положение пропагандируемое автомобильной фирмой "Ешк" с 1941 года* Для его реализации разработан новый процесс окончательной отделки поверхностей трения путём травления, который .введен в амзнь. При атом поверхность шеек коленчатих валов получает особую шероховатость около 60 микродюймов (по Абботу), в то время как до введения этого, процесса требовалась шероховатость уб шкродаймов.

На существование оптимальной шероховатости, •поверхностей, трущихся в определённых условиях, указывает, также . П. Ё. Дьяченко^и В. А.Кислик^^.

Вопрос об оптимальной шероховатости трущихся поверхностей деталей машин- весьма важен и с точки зрения стоимости-заключительных отделочных-операций. П.Е.Дьяченко подчеркива-. ет, что .стоимость обработки -и гладкость, поверхности в укрупнённых показателях связаны -экспоненциальной зависимостью. 1с-.ли принята за 100 стоимость наиболее сложной и дорогой, обработки (например, полировки) изделия из закалённой стали, то стоимость других видов обработки выразится:. 90 - хонингованной или лаютингованной после течения или шлифования поверхности; 50 - тонкошлифованной поверхности; 40 - обычной шлифованной поверхности; 20 - шлибоьанной (среднего качества); 5-10 - грубошлифованной.

Бели бы удалось показать, что более згероховатне поверхности в некоторых случаях обладают лучшими или: такими зге служебными качествами, что и более гладкие, это значительно удешевило бы изготовление ряда деталей машин. ,

В соответствии с изложенными соображениями автор вшолнал исследование зависимости сила трения от шероховато^ сти при отсутствий смазки и при граничной смазке л установил как изменяется эти закономерности при увеличении т-олщины слоя смазки на поверхностях тренш. На основании получениях результатов, опираясь на уаокшнутке вще работа »советский учёнах, автор попытался нарисовать физическую картину перехода от сухого к граничному грешно' а вшзсяить роль, которую игравт при этом неровности на ррущихся поверхностях. Основная цель работа может быть кратко сформулирована следующим образом:

Ф- и з я. ч е о к о-в и с с л е: д о в а я-н е з а-к о н о м е р я о с т е й сухого и г раянно-г о т ре н и я шероховатых п о в е р х н о -.с т е й мет а л л о в и и з м е- н е к и. я э т . и х закономерностей при переходе от су х ого трения . к г ран и ч н о- и у с увеличением толщины слоя, с м а з к и. ■

Основные експериментн по измерению коэффициентов трения-бшш вшолызнк на маятниковой иащне, сконструированной А. А.Дятловым и автором под руководством доцента л.Б.Влаш/ ^ Коз<|4ициентж трения определялись по графикам затухающих колебаний. Всего было снято более 1500 графиков.

Встречавшиеся в работе буквенные обозначения различных величин по воз?£сжн-ссти согласованы со "Справочником стандартных буквенных обозначений1^ ^. Только в тех редких случаях, когда в Справочнике отсутствовали запаенке обозначения, Приходилось вводить новые. Например, для коэ^щнента трения скольжения в справочнике приведено только одно обозначение " а понадобилось Два. В качестве второго бшло взято широко распространённое в литературе обозначение

Работа выполнена в лабораториях физики и технологии металлов Одесского института инженеров морского флота, под . руководством, доцента л.В. Влина. I J