К статье СМАЗКА
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), а N - сила нормального давления на поверхности их контакта (т.н. нормальная сила).
На рис. 1 представлена схема определения статического коэффициента трения методом скольжения образца по наклонной плоскости. Угол ? наклона плоскости постепенно увеличивают до тех пор, пока образец не начнет скользить вниз. Вектор W веса образца на схеме разложен на две составляющие - перпендикулярную и параллельную плоскости скольжения. Составляющая , перпендикулярная плоскости, равна нормальной силе N, c которой плоскость действует на образец, и направлена противоположно ей. Составляющая, параллельная плоскости, тянет образец в направлении наклона плоскости, но ей противостоит сила трения F, которая, пока тело не движется, в соответствии с третьим законом механики принимает значения, равные . Когда угол наклона плоскости, увеличиваясь, достигает значения, при котором величина равна рубежной силе статического трения, образец начинает двигаться. При этом значении угла выполняется равенство
W sin? * = fW cos? *,
откуда f = tg? *, где ? * - угол, при котором начинается скольжение (угол трогания).
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 микровыступами, 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 микроучастках 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 микросварки двух соприкасающихся поверхностей. При этом механическая энергия движения преобразуется в тепловую с повышением температуры поверхности. Разрыв мостиков микросварки 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 (рис. 2). 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.
Случаи жидкостного и граничного трения сопоставляются на рис. 3, где A - движущаяся поверхность, B - неподвижная поверхность, а C - пленка. Шероховатость поверхностей для наглядности сильно преувеличена. В условиях граничного трения (рис. 3,а) некоторые выступы соприкасаются друг с другом. В случае же жидкостного трения (рис. 3,б) движущиеся части полностью разделены достаточно толстой пленкой смазки.
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
где F - сила, необходимая для поддержания равномерного движения пластины, A - площадь поверхности и V - скорость верхней властины, h - толщина жидкой пленки между пластинами и ? - коэффициент пропорциональности, называемый абсолютной (динамической) вязкостью. В системе единиц СИ абсолютная вязкость измеряется в пуазах. Таким образом, пуаз (Пз) определяется как сила в ньютонах, необходимая для того, чтобы пластинка площадью 1 двигалась с постоянной скоростью 1 см/с параллельно плоскости, расположенной на расстоянии 1 см от нее. На практике чаще пользуются в сто раз меньшей единицей (сПз). Вязкость, выраженную в сантипаузах, обычно обозначают буквой Z. Вязкость воды при 20° С почти точно равна 1 сПз. (Название "пуаз" дано в честь французского физика Жана Пуазейля.) В нефтяной промышленности для вязкости принята условная шкала "секунд Сейболта", соответствующая скорости течения исследуемой жидкости по капиллярной трубке стандартного диаметра. Прибор для таких измерений называется универсальным вискозиметром Сейболта.
Таким образом, с одной стороны, вязкость, как внутреннее трение, является причиной выделения тепла и потерь энергии, а с другой - она позволяет жидкой пленке смазочного материала удерживать нагрузку.
Пленка, несущая нагрузку. Рассмотрим простейший случай, представленный на рис. 4,а. Плоские поверхности, обозначенные буквами AB и CD, параллельны друг другу, а их площадь бесконечно велика. Поверхность AB движется с постоянной скоростью V. Поверхность CD неподвижна. Толщина жидкой пленки, разделяющей поверхности, равна h.
Такую пленку можно представить себе состоящей из отдельных молекулярных слоев, на которые действуют силы сдвига (картина, характерная для пограничного слоя; см. ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА). Эти слои скользят один относительно другого, как игральные карты в колоде. Будем считать, что в контакте приповерхностного слоя жидкости с соответствующей поверхностью нет проскальзывания, и, следовательно, слой, соприкасающийся с движущейся пластиной, перемещается со скоростью V, а слой, прилегающий к неподвижной плоскости, имеет скорость, равную нулю. Скорость частицы жидкости, находящейся в какой-либо промежуточной точке между поверхностями, пропорциональна расстоянию от этой точки до поверхности CD. (Жидкость, для которой выполняется это условие линейности, называется ньютоновской. Большинство смазочных масел при обычных температурах относится к таким жидкостям.) Стрелками разной длины показаны скорости жидкости в разных точках в сечениях MN, PQ и ST пленки. То обстоятельство, что распределение скоростей MO в сечении MN является прямолинейным, указывает, что напряжение сдвига постоянно по толщине пленки. Поскольку рассматривается несжимаемая жидкость, площади распределений скорости, например MNO, пропорциональны количеству масла, проходящего через соответствующие поперечные сечения зазора. На рис. 4,а поток одинаков во всех сечениях пленки. Давление во всех точках пленки равно нулю, и она не может удерживать никакой нагрузки.
Рассмотрим теперь случай, показанный на рис. 4,б. Здесь движущаяся плоскость, как и прежде, неограниченна, тогда как неподвижная имеет конечную протяженность; остальные условия остаются прежними. Вся масса пленки, покрывающей движущуюся поверхность, до зазора перемещается со скоростью, одинаковой во всем поперечном сечении пленки, например HJ, приближаясь к положению MN, где она входит в зазор. В сечении MN первоначально равномерное распределение скоростей пленки искажается. Вблизи неподвижной пластины появляется напряжение сдвига, что показывает линия MO. Это связано с инерционными и вязкостными эффектами при резком изменении скорости пленки от значения, равного V, до нуля в точке M. При дальнейшем движении распределение скоростей продолжает меняться. В силу инерции через сечение MN входит несколько больше смазки, чем выходит через сечение ST. Избыточная часть перетекает под прямым углом к направлению движения. Вследствие такого эффекта в пленке возникает внутреннее давление, величина которого зависит от плотности и вязкости смазки, а также от скорости движения V. Но это давление весьма невелико и может поддерживать лишь очень небольшую нагрузку.
На рис. 4,в показано, что происходит, когда верхняя пластина ограниченной протяженности движется в сторону параллельной нижней бесконечной плоскости. Жидкость при этом выдавливается в соответствии с распределениями скоростей, и вследствие вязкостного перетекания внутри пленки возникает давление. Давление максимально в сечении PQ, равноудаленном от сечений MN и ST. Скорость жидкости в сечении PQ равна нулю. Справа от этого сечения жидкость выдавливается вправо, а слева от него - влево. Штриховой линией F показано возникающее при этом распределение давления по поверхности SPM верхней пластины. Таким образом, пленка вязкой жидкости способна удерживать нагрузку, равную этой поверхностной силе, если такая пленка находится между двумя сближающимися пластинами.
Масляный клин. Принцип масляного клина позволяет пленке смазки нести значительную нагрузку. На рис. 5,а показано распределение скоростей, возникающее в соответствии с изложенным выше при движении пластины под неподвижным клином. При этом не учитывается, с одной стороны, сравнительно небольшое влияние инерции на распределение скоростей, а с другой - очень важное выдавливающее действие, которое будет рассмотрено ниже. Таким образом, на рис. 5,а представлено только влияние вязкости. Площадь треугольника MNO больше площади треугольника STU (разница - треугольник MXO), и это свидетельствует о поперечном перетекании жидкости, вызванном повышением давления в пленке. Клин давит вниз на пленку и благодаря своей форме создает рассмотренный ранее эффект приближения верхней пластины к нижней (рис. 4,в). Единственное различие состоит в том, что теперь верхняя пластина представляет собой клин, а поэтому через сечение MN выдавливается больше масла, чем через сечение ST. Это выдавливающее действие показано на рис. 5,б. В некотором сечении PQ горизонтальная скорость выдавливания равна нулю, а давление в жидкости максимально.
Реальное распределение скоростей определяется путем наложения эффектов вязкостного увлечения жидкости движущейся пластиной и выдавливания (рис. 5,в). Распределение давления по поверхности клина показано на рис. 5,г.
В 1883 Б.Тауэр сделал важное открытие - он установил, что в клинообразной пленке между движущимися поверхностями устанавливается давление, удерживающее нагрузку. Это открытие сыграло неоценимую роль в машиностроении, открыв путь практическому применению гидродинамических принципов смазки.