Раскрывая секреты трибоники

Прежде всего, что такое трибоника? По гречески «трибос» - трение. А трибоника, наука о трении. Обычно в представлении инженеров трение - вещь вредная, и конструкторы машин часто ломают голову, как его уменьшить. Но вспомним один из рассказов замечательного фантаста Герберта Уэллса, посвященный изобретателю, который вообще сумел избавиться от трения на земле. Мгновенно возникла драматическая и вместе с тем комедийная ситуация: люди не могли ходить, автомобили ездить, резцы снимать стружку с детали, короче говоря, жизнь остановилась. Так что без трения обойтись нельзя, изучением его механизма занимаются ученые в разных странах.

Вопросы трения, износа и контактной жесткости играют главную роль, когда речь идет о проектировании долговечности и надежности деталей и узлов различных машин и механизмов. Необходимо учитывать огромное практическое значение этих задач для народного хозяйства, ведь в результате внешнего трения происходит износ деталей, после чего машины и механизмы направляются в ремонт. В нашей стране в среднем расходы на ремонт в машиностроении достигают в год значительной цифры.

Следовательно, создание «хорошей» теории процессов трибоники может тут же отозваться в практике большим экономическим эффектом. Обычно при проектировании конструктор не представляет себе во всех деталях, как будет изнашиваться в процессе работы тот или иной узел. Перестраховываясь, конструктор делает его попрочнее, а значит, дороже, потому что на него идет больше металла, чем нужно, или идет более прочный металл, когда в действительности в этом нет нужды. В итоге без всяких на то оснований машина становится дороже и тяжелее и, следовательно, хуже.

Вот почему ученые сосредоточивают свое внимание на развитии теории контактных задач, позволяющих создавать с большой точностью методы расчета на прочность различных узлов и сопряжений.

Работа состоит из трех разделов. Первый называется «Контактные задачи для вязкоупругих тел; исследование трения качения». А что скрывается за этими малопонятными названиями?

Рассмотрим проблему применительно к такому случаю, как перекатывание колеса по рельсу. На любой станции можно видеть свалку старых рельсов, снятых с дороги, а рядом колесные пары, также вышедшие из употребления. Отчего стираются рельсы и поверхности колес? От качения? Исключено. Следовательно, только от трения. А как может возникнуть трение? Только от пробуксовки. Однако же пробуксовку обычно наблюдали раньше, когда паровоз пытался тронуть состав с места, или в дороге на крутом подъеме. Тем не менее время от времени все рельсы, а не только на подъеме или перед перроном, приходится заменять. Следовательно, механизм качения колеса по рельсу в действительности значительно сложнее.

В том месте, где колесо соприкасается с рельсом, возникает площадка контакта. Если учесть, что колесо на площадке контакта начинает в определенный момент деформироваться (очевидно, сжиматься и, следовательно, менять форму), а рельс, в свою очередь, прогибаться (он уже не прямолинейный), то становится ясным, что возникают новые силы - силы трения скольжения. Они, естественно, дают износ: и рельс и колесо со временем приходят в негодность.

В заключительной части этого раздела работы говорится: «Проведенные исследования позволяют правильно поставить задачу и выяснить в каждом конкретном случае роль тех или иных факторов (влияние микроскольжения, несовершенной упругости, относительной мягкости материалов и т. д. на формирование общего сопротивления качению). Определить роль каждого из этих факторов экспериментальным путем оказывается очень трудным.

Результаты проведенных здесь теоретических исследований могут найти широкое применение при расчетах всех видов колесного транспорта, подвижных опор движущихся частей машин, механизмов и приборов всех видов и назначений, в частности в подшипниках качения».

Второй раздел называется «Контактные задачи теории упругости при наличии износа».

Известно, что расчеты на износ - основа для создания долговечных машин. Однако ввиду чрезвычайной сложности самого процесса изнашивания расчеты пока находятся в начальной стадии развития. На сегодня существуют две основные прикладные задачи теории износа. Это нахождение предельных параметров процессов, вызывающих износ: давления, скорости скольжения, температуры окружающей среды, при которых вообще возможна работа данного узла трения. И вторая задача, определение срока службы узла при заданном режиме работы.

Все эти задачи были исследованы при помощи математических моделей и рассчитаны на ЭВМ.

Последний раздел посвящен изучению контактного взаимодействия шероховатых тел. Общеизвестно, что идеально гладких поверхностей не существует, все они шероховаты. Если посмотреть на них в растровый электронный микроскоп, обладающий большой глубиной резкости, то перед нашим взором предстанет удивительная картина, которую можно наблюдать только с самолета, пролетающего над горной грядой: пики и седловины, ущелья и хребты. Может быть, эта аналогия и натолкнула инженеров на мысль описывать геометрические характеристики поверхностей с помощью топографических карт.

Что произойдет, если прижать одно твердое тело к другому? Они соприкоснутся друг с другом лишь в отдельных участках поверхностей — скорее всего в контакт придут их наиболее высокие выступы.

Например, плитки Иогансона, чьи поверхности приняты за эталон, так как они зеркально-гладкие, соприкасаются друг с другом по площади, составляющей примерно одну сотую от той, по которой они соприкасались бы, будь они идеально гладкими. А это значит, что истинное давление в точках касания в сто раз превышает то, которое получили бы, не учитывая шероховатости поверхностей. Для более грубых поверхностей (известно, что по ГОСТу существует 14 классов шероховатостей) это отношение будет еще больше.

С другой стороны, шероховатость поверхности играет и положительную роль в процессах трения и изнашивания, так как создает микрорезервуары, удерживающие смазку на поверхности. Инженеры давно знают об этом. И не случайно, что такое внимание уделяется технологии подготовки рабочих поверхностей зубьев шестерен, подшипников качения, кулачковых механизмов и других элементов машин, работающих при больших контактных давлениях. Каждая дополнительная технологическая операция, а сейчас известно уже более ста способов упрочнения поверхностей деталей машин, делает их более дорогими. Какую же технологию обработки поверхности выбрать? Обоснованный ответ на этот вопрос может быть дан лишь тогда, когда мы узнаем значение истинных напряжений в зоне контакта.

Интересная сторона проблемы — слияние пятен контакта, расположенных поблизости друг от друга. Обычно при инженерных расчетах, определяя давление в зоне контакта, влиянием соседней контактной зоны пренебрегали. И зря! Вот упрощенный пример. На какую-то деталь давят два штампа, находящихся рядом. При этом отдельно считали давление под первым штампом и под вторым. Давление определяли школьным способом, как семиклассники, делили силу на площадь штампа. Но в действительности возникают напряжения в металле и вокруг штампа, что в расчет не принималось. А эти две зоны вдруг оказываются взаимно перекрытыми. И напряжение в них вовсе не нулевое.

Аналогичная картина имеет место и при контакте шероховатых тел, только здесь внедряются уже не два штампа, а их бесчисленное множество.

Все проведенные теоретические исследования и расчеты хорошо согласуются с экспериментальными результатами на моделях, выполненными а лаборатории.

Источник: evolutiontechnical.com