Методы испытаний на трение и износ

38. Объясните понятия «Шероховатость, субмикрошероховатость и волнистость поверхности». Под шероховатостью поверхности понимают совокупность микронеровностей с малым шагом от 2 до 800 мкм и высотой от 0,01 до 400 мкм. На выступах, образующих шероховатость, имеются ещё более мелкие неровности- субмикрошероховатости с высотой 2...20 нм. Волнистость - совокупность чередующихся выступов и впадин (часто в виде синусоиды) с расстоянием между вершинами волн от 0,8 до 10 мм и высотой 0,03...500 мкм.

39. Приведите «Примеры параметров шероховатости поверхности». Профиль поверхности записывают профилографом/профилометром. Величины h_max и h_min - наибольшая высота выступа и наибольшая глубина впадины по отношению к средней линии. S_mi - шаг неровностей как, например. расстояния между соседними точками падающих кривых ближайших отдельных шероховатостей, пересекающих среднюю линию. Базовая длина l, которая выбирается так, чтобы на ней не проявлялись другие виды неровностей (волнистость и макроотклонения). Среднее арифметическое отклонение профиля Ra, задаваемое функцией h(x) от средней линии рассчитывается по формуле:

средняя высота неровностей по десяти точкам Rz рассчитывается по формуле:

для чего на базовой длине выбираются 5 наибольших пиков неровностей и 5 наибольших по значению впадин, что и представлено в приводимой выше формуле. Высота сглаживания поверхности Rp измеряется расстоянием от максимальной вершины выступов до средней линии.

40. Объясните «Построение опорной кривой Аббота».

На рис. 3 показан пример построения несущей опорной кривой.

Рис.3. Профильная кривая и кривая несущей поверхности

Для построения кривой опорной поверхности нужно взять сечение профиля линией, параллельной средней, на расстоянии z от линии выступов, а затем по этой высоте просуммировать получающиеся отрезки на шероховатости профиля. Опорную кривую можно построить в относительных величинах в виде e_max= z / R_max и откладывая его по оси ординат, а отношение опорной длины к базовой длине l, называемое относительной опорной длиной tp. откладывают по оси абсцисс. Здесь R_max - максимальный размер от самой глубокой впадины профиля до максимальной вершины выступа по вертикали. Функция t_p(E_max) изменяется от 0 до 1 и показывает, какая доля материала находится выше заданного уровня, то есть выражает вероятность того, что материал профиля находится выше уровня e_max.

41. Чему равна «Величина сближения/внедрения сферического индентора при вдавливании его в пластическое полупространство»?

Площадь и деформацию в этом случае можно определить по формулам, полученным в предположении, что напряжение на контакте равно твёрдости, поскольку при её определении также используют внедрение сферического индентора. Тогда среднее давление р_т» НВ, где НВ- твёрдость по Бринеллю. Площадь контакта сферы А_п = Р/НВ, а величина сближения/внедрения h = Р /(2 π RHB).

42. Назовите «Некоторые результаты, полученные И.Г. Горячевой, при анализе контактных задач».

В пределах пятен контакта необходимо принимать во внимание фактические давления (локальный эффект). При этом с ростом номинального давления величина дополнительной податливости контакта, связанная с наличием микрорельефа, постепенно уменьшается и стремится к нулю (эффект насыщения фактической площади контакта). Формулу вида С[р] = Кр^a - дополнительное смещение за счёт смятия шероховатости- можно использовать только при невысоких значениях номинального давления, когда имеет место ненасыщенный контакт. Увеличение шероховатости поверхности приводит к снижению максимальных номинальных давлений в области контакта и увеличению её размеров.

43. Назовите «Некоторые экспериментальные методы определения характеристик контакта».

Нанесение в вакууме тонких угольных плёнок (0,03...0,05 мм) на одну из поверхностей контакта (работы Н.Б Демкина. А.А. Ланкова, И.И. Берковича);

Оптические методы; через контактную проводимость с использованием формул Р. Хольма.

Исследование величины сближения шероховатых поверхностей можно, например, производить на приборе ПКД, разработанном И.В. Крагельским и Н.Б. Демкиным.

44. Объясните «Эффект Ребиндера».

Эффект адсорбционного понижения прочности поверхностных слоев материалов пар трения, облегчение деформации и разрушения твёрдых тел вследствие обратимого физико-химического воздействия среды.

Эффект происходит в результате адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на внешнюю поверхность деформируемого твёрдого тела, что вызывает при деформации уменьшение работы образования новой свободной поверхности (трещины) в результате понижения поверхностной энергии твёрдого тела под влиянием окружающей среды.

Эффект возможен при контакте твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, с жидкой (или газовой) адсорбционно-активной средой. Эффект Ребиндера весьма универсален и наблюдается в твёрдых металлах, ионных, ковалентных и молекулярных моно- и поликристаллических телах, стеклах и полимерах, частично закристаллизованных и аморфных, пористых и сплошных.

Основное условие проявления эффекта Ребиндера: — родственный характер контактирующих фаз (твёрдого тела и среды) по химическому составу и строению.

Форма и степень проявления Эффекта Ребиндера зависят от интенсивности межатомных (межмолекулярных) взаимодействий соприкасающихся фаз, величины и типа напряжений (необходимы растягивающие напряжения), скорости деформации, температуры. Существенную роль играет реальная структура тела - наличие дислокаций, трещин, посторонних включений и др. Характерная форма проявления Эффекта Ребиндера - многократное падение прочности, повышение хрупкости твёрдого тела, снижение его долговечности. Так, смоченная ртутью цинковая пластина под нагрузкой не гнётся, а хрупко разрушается.

Важнейшие области технического приложения Эффекта Ребиндера — облегчение и улучшение механической обработки различных (особенно высокотвёрдых и труднообрабатываемых) материалов, регулирование процессов трения и износа с применением смазок,

45. Приведите график «Зависимость силы внешнего трения от перемещения».

При начальном сдвиге тела по поверхности другого (при скольжении) наблюдается увеличение силы внешнего трения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость силы внешнего трения F_T от перемещения X:

а) в общем случае; б) в режиме фрикционных автоколебаний;

F_THП - сила трения покоя; F_TНП - неполная сила внешнего трения;

F_TCK - сила трения скольжения; d - зона предварительного смещения

46. Объясните понятия «Прямая и обратная пары трения».

Если обозначить твёрдость тела через Н₁ а твёрдость контртела через Н₂, то, исходя из рис. 5. понятно, что выгоднее создавать пары трения, когда твёрдость тела меньше чем твёрдость контртела Н₁ < Н₂ (обратная пара трения). Такое соотношение уменьшает силы трения, износ и температуру в подвижных сопряжениях.

В случае когда твёрдость тела больше чем твёрдость контртела Н₁ > Н₂ (прямая пара трения), в зоне контакта возрастают силы трения, износ и температура.

Рис. 5. Примеры обратной (1) и прямой (2) пар трения

47. Изобразите и объясните, что такое «Динамическая модель Ван-дер-Поля». Эта модель служит для демонстрации фрикционных автоколебаний, рис.6.

Рис. 6. Схема динамической модели Ван-дер-Поля с одной степенью свободы

Бесконечная лента движется с постоянной скоростью. На ленте находится тело массой m, удерживаемое пружинами общей жёсткостью с. Между телом и лентой при относительном скольжении возникает сила трения F_T, поэтому тело увлекается лентой при её движении. Спокойному движению тела препятствуют пружины, периодически срывающие тело с исходного положения. После срыва тело колеблется с собственной частотой системы v = (c/m)^1/2. Режимы движения тела с длительными остановками поверхностей трения называют релаксационными автоколебаниями, а в случае с мгновенными остановками — квазигармоническими фрикционными автоколебаниями, при которых уравнение движения массы модели будет: , где коэффициент b характеризует гашение колебаний (диссипацию энергии): v_CK - скорость скольжения.

48. Расскажите о «Качение упругих тел».

Напряжённое состояние и сопротивление качению зависят от разницы кривизны тел в области контакта и от соотношения модулей упругости. Если эти характеристики идентичны, то при свободном качении без сопротивления перекатыванию не возникает микропроскальзывание, а распределение давления подчиняется закону Герца. Для ведомого катка в соответствии с рис. 7 имеем:

Рис. 7. Силы и моменты, действующие на катящийся цилиндр

R- радиус катка; Р- вертикальная сила, действующая на каток; М- активный момент (направлен в сторону вращения, если каток ведущий, или в обратную сторону, если

каток ведомый или заторможенный); р(х)- контактное давление и t(х)- тангенциальные напряжения, составляющие силы реакции. Причём а- и b- абсциссы границ области контакта катка с основанием. Зона впереди катка - набегания, сцепления, а позади него - проскальзывания.

49. Поясните «Качение тел из материалов, обладающих свойствами релаксации и последействия».

Большинство материалов обладают свойствами релаксации (уменьшение напряжений во времени при постоянной деформации и доминировании упругой энергии) и ползучести (изменение деформаций во времени при постоянном напряжении). То есть поведение системы (в частности, из вязкоупрутих материалов) при деформировании должно включать не только напряжения и деформации, но и их производные по времени.

В полученные И.Г. Горячевой уточнённые формулы по механическим свойствам материалов в зоне контакта были введены следующие: Е- модуль упругости: aЕ- мгновенный модуль; m- коэффициент Пуассона и время последействия t_r. Для аморфных линейных полимеров a = 10⁵...10⁷, для полимеров с высокой степенью кристалличности a = 10... 10², а для чёрных металлов, a = 1,1... 1,5. Ей был также выявлен безразмерный параметр, уточняющий характер распределения давления, размер и смещение площадки контакта и др. Релаксация и последействие материалов контактирующих тел проявляются при качении, когда время прохождения области контакта соизмеримо с временем релаксации.

50. Что Вы можете сказать «О свободном качении тела и качении с тяговым моментом»?

Используем рис. 8 и соответствующие формулы.

Рис. 8. Схемы и расположения сил и моментов при качении твёрдых тел:

а) -при свободном качении; б)- при качении с тормозным моментом;

в)- при качении с тяговым моментом

Здесь Р- внешняя сила; N- реакция основания; Т- сила, приложенная к центру катка и равная реакции F в зоне сцепления; v- скорость. При этом образуется момент M=TR=FR. При качении с тормозным моментом M₁ и соответствующей ему реакцией основания F₁ имеем: М₁= F₁R. При качении с тяговым моментом M₂, вызывающим реакцию основания F₂, направление которой совпадает с направлением качения. Результирующая тангенциальная сила на контакте зависит от соотношения величин сил F и F₂. Предельное значение коэффициента трения f = F_T / N. Момент трения качения для катка радиусом R можно также записать в виде: M=N^/k или Т = к N^/ / R (эмпирическая формула Кулона). Здесь N^/ - равнодействующая реакции основания; к - смещение равнодействующей реакции в направлении качения.

51. Поясните термин «Конус трения».

Если тело опирается на шероховатую (реальную) поверхность и под действием внешних сил находится в покое, то значит внешние силы не могут преодолеть силы трения (эффект самоторможения).

Если внешняя сила действует внутри конуса трения, то тело останется неподвижным.

Если сила действует по образующей конуса трения, то это состояние неустойчивого равновесия.

Если сила будет действовать на тело вне конуса трения, тело начнёт двигаться. Кроме того, если тело опирается на поверхность реальной связи (с трением), то реакция отклоняется от нормали на некоторый угол. Идеальная связь- связь без трения, и реакция направлена по нормали к поверхности.