Модель ВА свойств фрикционного контакта

Анализ процессов накопления и излучения энергии в нетепловой форме при трении показывает, что большая часть энергии, рассеиваемой трением, переходит в тепло. Тепловая энергия связывается с процессами передвижения дислокаций, которые приводят к увеличению кинетической энергии атомов в решетке. Эта энергия и представляет собой внутреннюю кинетическую энергию, проявляющуюся в форме тепла.

Доля энергии, переходящей в колебательную при соударении двух неровностей очень мала. На самом деле доля колебательной энергии будет во многом зависеть от условий соударения и динамических характеристик упругой системы, но она тоже невелика в общем энергетическом балансе.

Триболюминисценция возникает при трении некоторых твердых тел. В этом случае в процессе разрыва адгезионных связей активируются фотоны, излучаемые как видимый свет. Одним из возможных объяснений этого явления служит допущение о том, что в поверхностных трещинах кристаллов существуют электростатические двойные слои, вызывающие искровой разряд, если поверхностные трещины раскрываются в процессе трения. Т.о., часть механической энергии расходуется на активацию фотонов и превращается в световое излучение, однако эта энергия очень незначительна.

Говоря об излучении энергии при трении, следует отметить, что процесс трения сопровождается ударным взаимодействием в отдельных микроконтактах, которые распределены во времени и пространстве внутри геометрической площади контакта. Эти ударные взаимодействия сопровождаются возмущениями кристаллической решетки, приводящими к излучению энергии в различных формах.

Акустические свойства фрикционного контакта

1. Особенности потерь механической энергии в трибомеханических системах

Шум и вибрации при трении относятся к потерям механической энергии, влияющим на точность и долговечность работы механизмов, на экологию окружающего пространства. Занимая сравнительно небольшую долю в общем балансе энергии, ВА излучение может косвенно влиять на количество подводимой энергии, необходимой для выполнения трибомеханической системой своего функционального назначения.

Рассеяние энергии при трении состоит из следующих компонентов:

а) накопление – накопление энергии деформаций, образование точечных дефектов и дислокаций;

б) излучение – ВА излучение, триболюминесценция, экзоэлектронная эмиссия;

в) преобразование механической энергии в тепловую.

Однако расчеты и эксперименты показывают, что накопленная энергия в условиях начинающейся пластичности и в условиях значительной пластической деформации составляет менее 1% энергии, расходуемой на трение. Тем не менее, часть затрачиваемой на трение энергии за счет дислокационного механизма запасается в скользящих телах. При резании за счет более сложного напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя эта часть может быть большей, но и здесь она не составляет значительной доли.

Очень малая доля энергии расходуется и на излучение электронов (экзоэлектронная эмиссия, эффект Крамера). Считается, что процесс трения действует как активационный для излучения экзоэлектронов.

Предположение, на котором основывается широко используемая в трибологии модель, состоит в том, что контактирующие поверхности представляют собой совокупность отдельных выступов различной высоты и формы (рис 1). Эта модель используется в трибологии для моделирования адгезионного взаимодействия. При трении в процессе взаимодействия выступов индентора и контртела друг с другом они вминаются и изгибаются, увлекая за собой прилежащие области материала. Далее они восстанавливаются под влиянием сил упругости и, совершая колебания, сталкиваются вновь с другими выступами.

Рис. 1 Модель контакта шероховатых поверхностей

В результате возникают упругие волны, распространяющиеся по упругой системе и постепенно затухающие по мере удаления от зоны фрикционного контакта. И интенсивность импульсов, и частота их следования меняются случайным образом. При сближении контактирующих поверхностей, т.е. с увеличением нормальной силы, увеличиваются контактные деформации, соответственно часть выступов, которые ранее в контакт не вступали, теперь будут контактировать. Средняя интенсивность импульсов может увеличиваться, поскольку ранее контактировавшие выступы будут вступать во взаимодействие не вершинами, а областями, приближающимися к основанию. Т.о., по мере сближения поверхностей средний интервал времени между отдельными импульсами сокращается в зависимости от законов распределения вершин неровностей на контактирующих поверхностях (рис 1). Если для примера рассмотреть последовательность равноотстоящих импульсов определенной формы, имеющих одинаковую длительность τ и случайную амплитуду со средним значением а и дисперсией σ² (рис. 2а), то ее спектральная плотность мощности S (ω) (при модуляции последовательности белым шумом) будет определяться выражением:

, (1)

где - спектр одиночного импульса, δ(ω - 2πr/Т) – дельта-функция, принимающая единичное значение в точках ω = 2πr/T и равная нулю в остальных точках, ω -круговая частота, Т -период следования импульсов, соответственно, 1/Т – частота следования импульсов. Из (1) следует, что с ростом частоты следования импульсов пропорционально растет плотность мощности по всему частотному диапазону.

Спектр такой амплитудно-модулированной последовательности импульсов состоит из дискретных линий с огибающей и непрерывной части, имеющей ту же форму огибающей (рис. 2б).

Из выражения (1) видно, что энергия дискретных составляющих спектра импульсной последовательности обратно пропорциональна Т, т.е. энергия дискретных составляющих растет пропорционально средней частоте возникающих импульсов. Эта частота пропорциональна среднему количеству контактов (n_ср) в единицу времени, которая определяется по формуле:

, (2)

где dS/dt – площадь, участвующая в трении в единицу времени, δ – глубина взаимного внедрения поверхностей, f₁(x) и f₂(х) – плотности вероятностей законов распределения вершин неровностей первого и второго тел (см. рис.1).

Рис. 2. Последовательность равноотстоящих импульсов со случайной амплитудой (а) и ее спектр (б): 1 – непрерывная часть спектра, 2 – дискретные составляющие

Качественная форма графика зависимости n_ср (δ) определяется тем, что после сближения поверхностей на величину, превышающую наибольшее поле разброса, дальнейшего увеличения n_ср наблюдаться не должно в соответствии с законами распределения f₁(x) и f₂(x), т.е. возникает «насыщение». Такое же насыщение должно наблюдаться и на зависимости энергии ВА сигнала от сближения δ, которое по формуле 2 определяет n_ср.

Противоречия во взглядах на природу ВА излучения при
трении и резании

Изучение сил трения показало, что суммарная сила сопротивления в первом приближении равна сумме сил сопротивления , возникающих в единичных фрикционных связях, т.е.:

Дата добавления: 2014-11-29