Заедание поверхностей при граничном трении

ЗАЕДАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ ГРАНИЧНОМ ТРЕНИИ

Тихомиров П.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)

Process of scuffing is characterized by the kinetic and evolutionary equations of formation and destruction as adsorbed layers of oil, and oxides and the modified layers. Such processes proceed at the certain energetic conditions of contact.

Наличие смазочного материала в зоне трения приводит к снижению трения и (или) износа. Сам механизм смазочного действия (смазка), приводящий к подобному улучшению триботехнических показателей, во многом остается невыясненным. Считается, что в условиях граничной смазки благоприятные условия в зоне трения реализуются, при протекании окислительных процессов определенной интенсивности [1]. Образование окисных пленок на поверхностях трения происходит совместно с окислением основной части масла. Присутствие между трущимися поверхностями углеводородов, стойких к окислению, приводит к снижению трения только при интенсивной подаче кислорода в зону трения. Разрушение оксидных пленок приводит к схватыванию металлов, при этом наблюдается увеличение среднего значения коэффициента трения и колебание силы трения. Оптимальными считаются условия динамического равновесия образования и разрушению оксидных пленок.

Интерес представляют данные Р.М. Матвеевского [2] о влиянии твердости шариков на величину критической температуры заедания, полученного при испытаниях на четырехшариковой машине. В качестве смазочного материала применялось диффузионное масло Д1 с присадкой 0,1% стеариновой кислоты. При твердости шариков ~ 10000 Н/мм² критическая температура масла оставалась постоянной (140 ⁰С) при величине контактного давления до 3200 Н/мм², в то время как при твердости шариков 2000 МПа (НВ 200) с увеличением давления от 1250 до 2000 МПа критическая температура резко снижалась с 130 ⁰С до 60 ⁰С. Эти данные дают представление о том, что разрушение оксидной пленки и возникновение заедания происходит при условии, когда в зоне касания возникают пластические деформации. Так, при твердости шариков 10000 МПа пластическое течение имеет место при σ_т = 10000/2,7 =3700 МПа. Поэтому при контактном давлении 3200 МПа еще не наступает интенсивного разрушения окисных пленок и критическая температура остается постоянной.

В случае пониженной твердости шариков разрушение окисной пленки происходит при σ_т = 2000/2,7 = 740 МПа. Вот почему при давлении 1250 МПа критическая температура масла снижается до 130 ⁰С. При дальнейшем увеличении контактного давления критическая температура резко снижается до 60 ⁰С. Опыты, проведенные А.И. Петрусевичем, показали, что для закаленных сталей температура заедания лежит в пределе 150…250 ⁰С, не превышая 300 ⁰С, а для мягких сталей от 60 до 150 ⁰С [3].

Данные, приведенные в табл. 1, характеризуют заедание зубчатых колес (при коэффициенте трения f = 0,1, температура масла в ванне 40 ⁰С).

Таблица 1. Факторы, приводящие к заеданию [3]

Обработка зубьев	Твердость рабочих поверхностей зубьев, МПа	σ_н_max^.υ_s, МПа^.м/с	Критическая температура масла, ⁰С	Смазывание
Шлифование	5900	4200	200	Окунанием и струйное (1,7 л/мин)
Шлифование	свыше 5800	3500	150	Струйное (0,1 л/мин)
Шлифование	свыше 5800	7200	150	Окунанием
Фрезерование	свыше 5800	2200	225	Окунанием
Фрезерование	Шестерня 190…210 колесо 150…170	9000	165	Окунанием

Здесь σ_н_max – максимальное напряжение по Г. Герцу, υ_s –скорость скольжения.

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает отсутствие связи между удельной мощностью трения (fσ_н_max^.υ_s) и критической температурой заедания. Таким образом, можно полагать, что критическая температура масла не в полной мере определяет заедание. По определению под заеданием понимается "процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала" (ГОСТ 27674-88). Обращает на себя внимание то обстоятельство, что заедание – это процесс, описываемый определенными кинетическими и эволюционными уравнениями. Эти уравнения должны отражать закономерности формирования и разрушения адсорбированного слоя молекул смазочного материала и оксидного слоя. Заедание в общем виде определяется следующей последовательностью процессов: разрушением адсорбированных слоев молекул масла, разрушением оксидных слоев, образованием ювенильных активных поверхностей и образованием молекулярных металлических связей (схватыванием).

Каждый процесс характеризуется своим энергетическим состоянием. Заедание наступает при нарушении динамического равновесия образования и разрушения адсорбированного и оксидного слоев при условии преодоления некоторого энергетического порога. Влиянию температуры на разрушение смазочного слоя при трении в условиях граничной смазки посвящена статья [2]. Если время воздействия температуры на фрикционном контакте больше времени нахождения молекулы в адсорбированном состоянии, то имеет место десорбция, т.е. разрушения слоя адсорбированных молекул.

И.А. Буяновским и Р.М. Матвеевским [4, 5] предложена формула для определения критической температуры, учитывающая энергию разрушения связи молекулы масла с поверхностью твердого тела и фактическое давление на контакте. Заедание, по мнению Н.А. Буше и С.М. Захарова [6], наступает при условии, когда протяженность зоны металлического контакта превышает критическое значение. Многие исследователи считают, что температура является основным критерием заедания. Нам представляется, что температура является лишь одним из факторов, определяющих кинетику сорбционных процессов. Разрушение оксидных и модифицированных пленок и образование ювенильных поверхностей зависит от множества других, кроме температуры, факторов. Для предотвращения схватывания предлагаются следующие способы [7]: 1) полное разделение трущихся поверхностей, исключающее непосредственный контакт микровыступов, 2) образование на поверхностях трения физически адсорбированных или хемосорбированных пленок из газов, жидкостей или присутствующих (в частности, растворенных) в последних химически активных соединений, 3) образование на поверхностях вязких пленок при химическом взаимодействии масла с металлом, 4) нанесение на одну или обе поверхности твердых пленок или покрытий с высокой адгезией к поверхностям. Таким образом, предлагается проводить прогнозирование технического состояния узлов трения, работающих в условиях граничной смазки, по критерию вероятности возникновения металлических контактов. Эта вероятность оценивается по статистическому параметру – нормированному интегральному времени микроконтактирования. Данный параметр определяется с помощью измерения электрического сопротивления контакта, поскольку при наличии металлических контактов существенно (на несколько порядков) снижается электрическое сопротивление между элементами пары трения.

Литература

1. Виноградов, Г.В. Смазочное действие низкомолекулярных углеводов при тяжелых режимах трения/Г.В. Виноградов, И.В. Коренова, Ю.Я. Подольская, И.Т. Павловская/ Теория сазочного действия и новые материалы. – М.: Наука, 1965. – С. 8-12.

2. Матвеевский, Р.М. Критические температуры смазочных масел при испытаниях на машинах с точечным и линейным контактом/Р.М. Матвеевский/ Теория сазочного действия и новые материалы. – М.: Наука, 1965. – С. 15-19.

3. Детали машин. Сб. материалов по расчету и конструированию. В2-х кн. -Кн.1/ Пол ред. Н.С. Ачеркана. – М.: Машгиз, 1953. – С.257-263.

4. Матвеевский, Р.М. Влиянию температуры на разрушение смазочного слоя при трении в условиях граничной смазки /Р.М. Матвеевский, А.В. Чичинадзе, И.А. Буяновский, А.Г. Гинзбург, С. Г. Яшвили/ Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин.-М.: Наука, 1982.-С. 167-172.

5. Буяновский, И.А. Расчет предельной смазочной способности масел по данным лабораторных испытаний на основе концепции теплоты адсорбции/Теория и практика расчетов деталей машин на износ.- М.:Наука, 1983.-С. 75-82.

6. Буше, Н.А. Трение, износ и усталость в машинах (Транспортная техника) [Текст]/Н.А. Буше. – М.: Транспорт, 1987. – 223 с.

7. Заславский, Ю.С. Трибология смазочных материалов [Текст]/Ю.С. Заславский.- М.: Химия, 1991. – 240 с.