Ефект аномально низького тертя

Рис.8.9 Кулька, яка котиться вправо по плоскій пружній основі

Рис.8.8 Кулька, яка котиться по канавці

Тертя кочення

Сила тертя кочення в крайньому разі в десятки разів менша сили тертя ковзання. Наявнiсть сили тертя кочення пояснювали ранiше ковзанням сполучених поверхонь. Пізніше було встановлено, що воно впливає на силу тертя кочення. Опiр коченню пояснюється деформацiйними втратами в розміщеному нижче твердому тiлi. При вiдсутностi пластичної деформації тертя обумовлене гiстерезисними втратами в твердому тiлi.

Взаємне просковзування поверхонь можна уявити при розгляданнi кочення кульки (рис.8.8). Коло АВ кульки перемiщується посерединi канавки, а коло СD торкається її країв. Як видно з рисунка, коло АВ проходить за один оберт кульки бiльшу вiдстань нiж коло CD. Ця рiзниця i обумовлює ковзання поверхонь тертя.

Гiстерезиснi втрати при тертi кочення пояснемо з допомогою рисунка 8.9.

Ще О.Рейнольдс помiтив, що коли цилiндр з твердого матерiалу котиться по плоскiй поверхнi гуми, то при кожному обертi вiн проходить шлях менший, нiж довжина кола цилiндра. Вiн припустив, що гума розтягується в точцi C по iншому, нiж в точках BD, в результатi має мiсце, як вже згадувалося, просковзування з вiдповiдним розсiюванням енергії. З рис.8.8 і 8.9 видно, що попереду пiд кулькою в точцi Е утворюється заглибина, а позаду в точцi А деформацiйний матерiал повнiстю (при гумi), а при металах частково вiдновлюється пiд дiєю сил пружностi або пружного гiстерезису; крiм того, внаслiдок залишкової пластичної деформації сили реакції позаду кульки меншi, нiж сили тиску спередi неї. В результатi кулька виконує роботу деформації.

На поверхнях тiл кочення, як i при їх ковзаннi, виникають сили зчеплення. Адгезiйне зчеплення незначно впливає на сили тертя кочення (наявнiсть граничного змащування майже не впливає на силу тертя кочення), але вiдiграє велику роль в зношуваннi тiл кочення.

За допомогою методу радiоактивних iзотопiв доведено, що при коченнi кульки з сапфiру по поверхнi мiдi, вiдбувається деяке перенесення металу з дорiжки кочення на кульку. Якшо поверхнi змащенi олеїновою кислотою, то опiр коченню кульки не змiнюється, однак кількість перенесеної мiдi зменшується бiльш нiж в 4 рази.

При тертi кочення у випадку твердих тiл, деформації поверхонь невеликi, i окиснi плiвки, якi є на поверхнях тертя, не пiддаються значному руйнуван-ню. Тому ковзання поверхонь проходить не по металу, а по окислах, якi можуть зношуватися. Це i пояснює вплив ковзання на зношування тiл кочення.

Для припрацьованого стану поверхонь по експериментальних даних сила тертя кочення:

, (8.3)

де k - константа, яка залежить вiд матерiалу; N -навантаження на кульку; D - дiаметр кульки; n = 1.7...1.85; m = 1.5...1.6.

Сила тертя пiдшипника кочення при високих швидкостях залежить вiд в'язкостi мастила i може досягати значних величин. На силу тертя пiдшипника кочення впливає в'язкiсть мастила, тертя в сепараторi пiдшипника, розмiр кульок, шорсткiсть поверхнi та iн.

Момент тертя пiдшипника кочення:

або (8.4)

де fa i fт - коефiцiєнти тертя при радiальному i осьовому навантаженнi, вiднесенi до дiаметра вала d; Q i T радiальне i осьове навантаження.

Сила тертя в пiдшипниках кочення збільшується у випадку технологiчних i монтажних похибок, пiдвищених швидкостей i при тертi в ущiльненнях. Значення коефiцiєнтiв тертя в рiзних видах пiдшипників кочення знаходяться в дiапазонi 0,002....0,008.

Вченi А.А.Сілiн, Е.А.Духовський та iншi в 1969 р. вiдкрили явище наднизького тертя. Коефiцiєнт тертя полiетилену i пропiлену при тертi у вакуумi пiд дiєю потоку атомiв гелiю (i деяких iнших елементiв) зменшився на два порядки. Спочатку коефiцiєнт тертя був рiвний f =0,1...0,13, а при включеннi атомного пучка густиною 1013 атомiв на 1 см2 з енергiєю 2кеВ зменшиться до f = 0,0015. Дослiди проводились при нормальній температурi, швидкостi ковзання - 2 м/с, тиску 20...60 кПа i при розрідженнi в камерi 655(10-6...655(10-4 Па. Пiсля припинення опромiнення коефiцiєнт тертя вiднов-люється до початкових значень. На полiстиролi i полiтетрафторетиленi ефект не проявляється.

Iнтенсивнiсть зношування при наднизькому тертi рiзко зменшується. Дослiдження показали, що при опромiненi тонкий поверхневий шар речовини переходить в упорядкований стан. Цей стан характеризується малою поверхневою енергiєю i залишається стiйким при нормальнiй i пiдвищенiй температурах.

Ефект може проявлятися i без опромiнення, якщо речовина має шарувату кристалiчну структуру (наприклад, молiбденiт). Орiєнтацiя структури такої речовини при тертi у вакуумi проходить за рахунок енергії тертя. Однак цьому процесу заважають домiшки, особливо молекули води. Бомбардування прискореними частинками виганяє воду, що сприяє бiльш швидкiй орiєнтації речовини.

Авторами ефекту був створений новий самозмащуючий матерiал, здатний працювати у важких i екстремальних умовах. У вакуумi при високих навантаженнях вiн витримує як низьку температуру, так i нагрiвання до 1000(С, а при опромiненнi реалiзує наднизьке тертя. Матерiал випробований в реальних конструкцiях i застосовується на пiдприємствах в рiзних галузях. Джерела опромiнення можуть бути портативними, а додаткові витрати енергії для їх живлення малі в порiвняннi з виграшем вiд зменшення втрат на тертя.

Востаннє редаговано: Понеділок, 3 грудня 2007, 14:16. Версія: 1. Опубліковано: Середа, 7 листопада 2007, 11:00.

Дата добавления: 2013-12-14