РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ
ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ
2.1. Физические основы трения
При относительном движении сочлененных деталей запорной арматуры между контактирующими поверхностями неминуемо возникает трение. Вследствие этого они подвергаются износу, интенсивность которого зависит от условий взаимодействий трущихся пар.
Отличительной особенностью возникающего трения является его диссипативный характер, т.е. трение всегда сопровождается переходом механической энергии в другие ее виды. Дисиация энергии при трении приводит к нагреванию поверхностей, их окислению, износу и прочим изменениям в зоне контакта.
В зависимости от кинематических признаков относительно перемещения различают виды трения:
* трение скольжения, при котором одни и те же точки одного тела приходят в соприкосновение все с новыми точками другого тела. При трении скольжения сопряженные тела функциональной пары перемещаются поступательно и относительно скорости контакта физических точек взаимодействующих тел одинаковы;
* трение качения, при котором следующие одна за другой точки одного тела приходят в соприкосновение со следующими одна за другой точками другого тела, причем вследствие упругости взаимодействующих тел контакт осуществляется на некоторой площадке и относительные скорости различных точек катящегося тела различны.
В.К. Зайцев [52] классифицирует трение по признаку состояния поверхностей трущихся тел в зависимости от наличия смазки и характера ее участия в процессе трения на: сухое, граничное, жидкостное (гидродинамическое) и газодинамическое.
При сухом трении на поверхностях нет смазки, они покрыты только окисными пленками и адсорбированными пленками воды и газа.
При граничном трении поверхности разделены тонким слоем смазки, толщина которой 0,01?0,1 мкм. При этом смазка под влиянием молекул твердых тел переходит в "квазитвердое" состояние и тела способны выдержать весьма большие нагрузки.
Жидкостное трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем смазочной жидкости, находящейся под давлением. Это давление уравновешивает внешнюю нагрузку, причем сопротивление движению определяется внутренним трением (вязкостью) жидкости.
При газодинамическом трении поверхности разделены слоем газа под давлением и трение по существу является внутренним трением газа.
Законы трения в настоящее время объясняются с точки зрения молекулярно-механической теории трения, в развитие которой внесли большой вклад советские ученые: Крагельский И.В., Дерягин Б.В., Исаченков Е.И. и др. и зарубежные: Гюнтер Х., Бессер Д. и др. [7, 57, 58].
Согласно этой теории трение имеет двойственную молекулярно-мехническую природу. На площадках фактического контакта действуют силы молекулярного притяжения, которые проявляются даже на расстоянии, в десятки раз превышающем межатомное расстояние в кристаллических решетках и увеличивается с повышением температуры.
Молекулярные силы вызывают прилипание тел на фактических пятнах касания или адгезии.
Относительное смещение поверхностей при наличии взаимного притяжения и прилипания сопровождается разрывами молекулярных связей, что требует затраты энергии в необратимой форме. Особенно большую силу трения (тангенциальную) надо приложить, если связь между телами нарушается не по месту контакта, а внутри металла на некоторой глубине от поверхности. Это возможно при сильной адгезии и наклепе контактирующих выступов. Разрушение такого соединения приводит к значительным повреждениям поверхности трущихся тел. В этом случае говорят о схватывании при трении. Поэтому весьма важным фактом при трении является различие между прочностью нижележащих слоев. Если связь менее прочна, чем нижележащий материал, то имеет место положительный градиент механических свойств по глубине, т.е.
, (2.1)
где ? - разрушающее напряжение в плоскости скольжения;
z - координата, перпендикулярная этой плоскости.
При выполнении правила положительного градиента имеет место внешнее трение, т.к. поверхностные свойства определяют этот процесс и все деформации сосредоточены в тонком поверхностном слое. Т.е. это правило является важнейшим условием нормального протекания процесса трения. При трении взаимное внедрение микровыступов приводит к объемному деформированию поверхностей. Поскольку число взаимодействующих выступов пропорционально фактической площади касания, а глубина их внедрения определяется сближением поверхностей, вопрос об определении площади касания и сближения является весьма важным при рассмотрении трения и износа. В связи с двойственной адгезионно-деформационной природой трения силу трения можно разделить на две взаимно влияющие друг на друга части:
(2.2)
Молекулярная (адгезионная) Fад составляющая возникает в результате преодоления сопротивления сдвигу контактирующих тел, вызванного молекулярным притяжением. Механическая составляющая Fдеф вызвана упругим и пластическим оттеснением внедряющихся друг в друга микронеровностей контактирующих тел.
Молекулярная составляющая зависит от природы контактирующих тел, определяющей виды взаимодействия атомов и молекул на фактической площади касания. Между атомами контактирующих тел могут возникать ионные, ковалентные и металлические связи. Однако вероятность таких связей при наличии поверхностных пленок невелика. Между контактирующими телами всегда действуют силы молекулярного притяжения или силы Ван-дер-Ваальса, вызванные ориентационными (у полярных молекул), деформационным (при сближении полярной и неполярной молекул) и дисперсным (у любых молекул) эффектами.
Учитывая, что адгезионная и деформационная составляющие силы трения и нормальная реакция равна соответственно:
,
где ?' и ?n - касательное и нормальное напряжение на контакте;
А2 - фактическая площадь касания;
А2? - сумма проекций площадок касания на плоскость перпендикулярную силе трения.
Для коэффициента трения получим следующее выражение:
(2.3