Устройство для исследования динамических характеристик и оперативного контроля качества трущихся поверхностей

Внешнее трение используется человеком с момента, когда он научился добывать огонь, реализуя явление преобразования механической энергии, утрачиваемой на преодоление сопротивления соприкасающихся тел относительному перемещению, в тепловую. Однако все чаще его деятельность была направлена на преодоление трения и разработку приемов уменьшения сопротивления тел перемещению. Некоторый выигрыш в силе, затрачиваемой на перемещение тяжелых предметов, давало применение волокуш и саней. Значительно позже для уменьшения трения между полозьями саней, на которых транспортировали в> Египте каменные фигуры, статуи, блоки, между грунтом и полозом подкладывали деревянные катки. Таким образом, трение скольжения заменяли на трение качения.

В дальнейшем этот опыт был использован для создания колеса. Древнейшее изображение повозки на колесном ходу принадлежит шумерам и относится к 3500 г. до н. э. Остатки деревянного колеса, изготовленного в конце четвертого тысячелетия, обнаружены, в Болгарии. Появление повозок у шумеров явилось причиной создания первых в истории человечества подшипников скольжения. Такие подшипники представляли собой ременные петли, поддерживающие повозку на осях, жестко-закрепленных с колесами. Однако более древними опорами скольжения явились, подпятники из камня, предназначенные для установки двери в жилища. Такие устройства существовали в Европе и Ассирии 7 тысяч лет тому назад. Роликовые подшипники, описанные римским архитектором и инженером Витрувием (I в. до н. э.), применялись в стенобитных орудиях. К тому периоду относятся и найденные в окрестностях Рима бронзовые шарики и деревянные ролики от подпятников.

Поиски путей уменьшения трения скольжения привели к использованию смазочных материалов. Известен самый древний рисунок, где изображено применение смазочного материала, относящийся к 2400 г. до н. э. Через четыре столетия в Египте для смазки втулок колес повозок стали применять сало. Надпись на древнегреческом рисунке (1880 г. до н. э.), на котором запечатлен.

4 '. ,. момент перемещения статуи массой около 60 т, свидетельствует о том, что для снижения' трения? между полозьями саней и дорогойиспользовалась вода. Применялись также растительные масла, мази из древесной смолы, жиры животного происхождения, а также пластичные смазочные материалы на основе масел растительного происхождения. Уже в XIV в. до н. э. для смазки осей деревянных колесниц египтяне использовали пластичныесмазочные материалы из смесиоливкового масла5 и извести. При появленииповозок и колесниц, деревянных зубчатых передач (1000 г. до н. э., Месопотамия), железных подшипников в прессах (400 г. до н. э., Греция), бронзовых вкладышейи подшипников (300"-•• 200? гг. до Н-Э., Кйтащ. Рим) стали использовать мазиполученные после выпаривания, летучих продуктов из нефти при ее длительном нагреве: Первый перечень смазочных материалов? был составлен Плинием-старшим (23 — 73 гг.) — в начале нашей эры. Минеральные масла стали применяться в XIX в, at в первойшоловине нашего столетия получили широкое распространение, синтетическиемасла и твердые: смазочные материалы.

Талантливый человек Леонардо да Винчи заслуживает звания гения. Как художник, скульптор" Иинженер он превосходил своих современников. Как ученый: он обогнал свою> эпоху на века. Первые научные исследования по трибологии были выполнены Леонардо да Винчи- (1452. 1519 гг.). В 1508 г. он провел эксперименты и пришел к следующему выводу: «Всякое трущееся-тело оказывает притрении сопротивление, равное одной четверти своего веса, при условии соприкосновения ровнойплоскости с полированной поверхностью». Отсюда следует, что он впервые сформулировал понятие о коэффициенте тренияПользуясь современной* символикой, можно записать закон трения в следующем виде: F—JN, где TV — давлениетела на плоскостьf — коэффициент тренияF — сила сопротивления: скольжению. Этот закон, — открытый Леонардо да Винчи, долгое время ошибочно называли законом Кулона.

Леонардо да Винчи считал, что f зависит от шероховатости поверхности тела: «Тела с более гладкой поверхностью имеют меньшее трение». Он полагал, что трение бывает четырех родов: оба тела шероховатытащимое тело шероховато, а поверхность, по которой оно движется, гладкатащимое тело гладко, а поверхность неподвижного тела шероховатаоба тела гладки. Леонардо да Винчи высказал суждение о том, что если между двумя телами расположены круглые гладкие зернышки, то трение уменьшается, то есть показал возможность создания подшипника качения. Так же Леонардо да Винчи стал первым учитывать трение и износ в машинах. Он — автор конструкций подшипников качения, скольжения и зубчатых передач.

Забытый закон Леонардо да Винчи вновь, был открыт в 1699 г, французом Г. Амонтон (1663 — 1705) о линейной зависимости трения от нагрузки F = JN, где F — сила трения, N — нагрузка по нормали к поверхности трения,/- коэффициент трения. Из* закона следует независимость силы трения"от площади поверхности трения. То есть трение кирпича, передвигаемого по плоскому основанию, одинаково, положим* ли его плашмя, повернем на бок или поставим на торец. «.

Он также предполагал, что трение — это результат подъема одного из сопрягаемых тел на неровностях другого. Результаты Амонтона были экспериментально подтверждены Делагиром на образцах из дерева и мрамора. Им была высказана гипотеза, согласно' которой трение обусловлено зацеплением и изгибом неровностей, которые ведут себя подобно миниатюрным пружинам.

В 1734 г. преподаватель физики Оксфордского университета И. Т. Дезагюлье опубликовал книгу «Курс экспериментальной1 физики», в которой высказал гипотезу о влиянии! на трение сил молекулярного взаимодействия. Он считал, что сила трения должна возрастать с уменьшением шероховатости тел, так как молекулярное сцепление должно быть выше.

В работах французского физика Ш. Кулона (1736 — 1806 гг.) подтверждается мысль о том, что трение зависит от молекулярного взаимодействия поверхностей, приводятся данные, показывающие, что увеличение площади поверхностей контакта сопровождается увеличением силы трения. Им впервые в примитивной форме высказана мысль о том, что трение имеет двойственную природу: «Физические причины сопротивления при трении. не могут быть б объясненыиначе, как, зацеплением неровностей. поверхностей^ которое проявляется в виде изгиба, разрывов и подъемов^ на вершины друг друга, или надо предположить, что. молекулы поверхностей, находящихся в соприкосновении, сжимаются вследствие их сближения, и сцепление между нимшнадо преодолеть, чтоб получить движение.» .

В 177Вг. Ш. Кулон впервые предложил двучленную формулу, согласно которойF=A +JN, где, А — характеристика сцепленности, не зависящая от нагрузки (опубликована в книге «Теория простых машин» в 1781 г.);

Дальнейшая? разработка теории' трения" была предпринята профессором Эдинбургского университета Д. Лесли (1766 — 1832 гг.). Причину трения он видел, в непрерывном изменению формы поверхностей сопрягаемых тел. Выступы одного тела нажимают на выступы другого, которые, деформируются сами, вдавливаются: в нижележащие слои. и образуют впадины, а оттесненный материал окружаетв виде гребня внедрившийсявыступ. Другими словами, вокруг каждого внедрившегося, выступа образуется волна оттесненного материалана которую этот выступ безуспешно стремится подняться и которая оказывает сопротивление его перемещениюВ процессе трения идет постоянное перемешивание (передеформирование) материала:

ДЛесли в 1804 г. рассматривает вопрос о количестве тепла, выделяемого прш трении^ и впервые пытаетсяустановить связь между работой трения и тепловой энергией.

Следует, однакоотметить, что первые исследования, свидетельствующие о превращении при трении механической энергии в тепловую, были выполнены английским ученым Б. Томпсоном, известным в истории науки под именем.

• I ' графа Румфорда. В 1798 г. граф Румфорд заметил, что вода при сверлении пушечного ствола, помещенного в нее, закипалаПосле опытов с тупымсверлом он установил, что источником тепла является трение. В докладе: в Лондонском королевском обществе он указывал: «Мы не должны упускать из виду, что источник тепла, возникающего при трений в этих опытах, представляется, по-видимому, неисчерпаемым: Фактически он дал основание полагать, что между работой против сил трения и выделяемой при этом тепловой энергией существует корреляцияВ дальнейшем PI Майер (1842 г.) и Д. Джоуль (1843 г.) развили эту идею и обосновали принцип эквивалентности механической энергии и теплоты.

Эти исследования явились началомс зарождения новой ветви трибологиитепловой динамики трения. Наиболее важные достижения в этой области были сделаны английскими учеными в начале XX века. Было показано, что выделяемая при трении тепловая энергия не распределяется равномерно по поверхности касания трущихся тел, а концентрируется на дискретных, участках — пятнах фактического контакта. Так, в 1936 г. Ф. Боуденом и К. Ридлером была опубликована работа, в которой приводились результаты эксперимента^ свидетельствующие о' том, что материал контактирующих выступовповерхностей* трущихся*тел импульсно нагревается до температуры, близкой к точке плавления: материала одного из этих тел. Подробно расчет температуры пятен контакта при трении был осуществлен X. Блоком.

Во второй половине XIX в. Б. Тауэр случайно открыл явление динамического давления5при относительном движениислоев смазочных материалов. В 1886 г. на основании экспериментов Тауэра была разработана О. Рейнольдсом гидродинамическая теория смазки: В 1883 г. независимо от Рейнольдса основы, гидродинамическойтеории смазки, были разработаны Н. Г1. Петровым. По этой теме им было опубликовано более 20 работ. Основная из книг «Трение, в S машинах и влияние на него смазывающих жидкостей» удостоена Ломоносовской премии Российской Академии наук.

Существенный вклад в развитие теории жидкостного трения внесли Н. Е. Жуковский, G. А. Чаплыгин, Ml В: Коровчинский и другие.

Родоначальником одного из наиболее важных направлений трибологиитеории граничного трения является У. Гарди. В 1922 г. он установил, что коэффициент трения тел, смазываемых углеводородами, снижается с ростом температуры, но после того как смазочный материал расплавится,.коэффициент трения возрастает, а затем остается постоянным в широком интервале 8 — температур. В книге «Избранные труды» У. Гарди изложил основные положения теории граничной смазки и разработал концепцию структуры граничного слоя.

Забытую формулу Кулона F=A±fN в XX в. F. Сакс (1924 г.), — Г. Морроу (1930 г.) и Б. ВДерягин (1934 г.) независимо друг от друга вновь предложили и теоретически обосновалидвучленную" формулу закона трения. Кулон считал, что сцепленность, А мала и ею можно! пренебречь, а трение обусловлено в основном взаимным внедрением и деформацией (изгибом в направлении скольжения) неровностей трущихся тел (у древесины неровности представляются как ворс в щетке). Смазка, находясь между неровностями, сглаживает рельефи уменьшает трение. Таким образом, в его теории зарождается понятие о фактической площади касания трущихся тел. Кулон показал, что коэффициент трения зависит от природы трущихся тел, размеров поверхности трения, скорости, давления и продолжительности контакта, предшествующего скольжению: Кулон выполнил также исследования по трению качения деревянного цилиндра по горизонтальным полозьям и получил формулу F:=fkN/R, которая используется и поныне. ' .

В 1937 г. изобретатель четырехшариковой машины трения Д. Берлаге и JL Блок экспериментально доказали существование критических температур, при превышении^ которых смазочная пленка разрушаетсяi и происходит переход от одного/ механизмаизнашивания* к другому. Существование переходных температур* было подтверждено результатами^ выполненных Ф: Боуденом и Д. Тейбором исследований влияния температуры на1 коэффициент трения. Переход от плавного трениям к скачкообразному и повышение коэффициента трения они объяснили дезориентацией и десорбцией граничных слоев: Существенный вклад в теорию граничного грения был внесен Б. В. Дерягиным.

В 30-е гг. XX.в., основываясь на трудах У. Гарди, Ф. Боуден и Д. Тейбор создали адгезионную теорию трения. Основные ее положения были сформулированы в двух статьях, опубликованных в 1938 г. В 60-е гг. ими была предложена и экспериментально подтверждена адгезионно — деформационная теория трения.

Предположение о двойственной" природе трения, впервые обосновал выдающийся триболог И. В. Крагельский в 1939 г. Впоследствии" на базе этого предположения И. В. Крагельским и его учениками была разработана моле-кулярно — механическая теория трения.

Широкое применение полимерных материалов в, трибосопряжениях ири вело к необходимости изучения природы, явлений, протекающих в контакте при их фрикционном нагружении. В 1953 г. А. Шалломах высказал гипотезу о молекулярно-кинетической природе трения-, которая* впоследствии была развита в молекулярно-кинетическую теорию трения. Существенный вклад в теорию' трения полимеров и композитов, на их основе был внесенбелорусской трибологической школой, основанной В. А. Белым.

В России основы науки о трении и изнашивании были заложены в период организации" Российской академии наук. Великийученый М. ВЛомоносов сконструировал прибор дляисследования сцеплений между частицами тел «долгим! стиранием», который* явилсяпрототипом современных приборов для определения износостойкости" материалов: М. Bi Ломоносов является основоположником теории изнашивания материалов и экспериментальных исследованийв этой области, он связал понятие о прочности с представлениями о силах связи между частицамиЗанимаясь подбором материаловдля опор часовых механизмов, МВ. Ломоносов указал на целесообразность, применения для этой целиистекла.

Крупный! вклад в науку о трении внес Л. Эйлер. Выведенные им зависимости о трении гибкой нерастяжимой нити, перекинутой через шкив, до сих пор применяют во всем мире при расчете сил трения в элементах с гибкой связью. .

Мировую известность получили работы Н. П. Петрова по теории смазки подшипников. Над проблемой смазки работали Н. Е. Жуковский и С. А. Чаплыгин, математически разработавшие вопрос о теории смазочного слоя (за границей над гидродинамическойтеорией смазки работали О. Рейнольде, А. Кингсбери, Гсрси и другие).

Следует отметить, что в 1880—1881 годах Д{ И: Менделеев разработал научные основы производства смазочных масел из мазута тяжелых кавказских нефтей.

В период развитияиндустриив России широко развернулись работы в областитриботехникиБольшое влияние на развитие представлений о молекулярном механизмепроцессы^ внешнего трения оказали работы БВ. Дерягина, предложившего в 1934 году свой вариант двучленного закона трения. Теория Б. В. Дерягина оказала большое влияние на все последующие попытки создания, теории в любой современной теории по трибологии.

Первый обзор о развитии учения о трении и изнашивании в нашей странебыл выполнен в 1947 году профессором Ленинградского политехнического института А. К. Зайцевым в книге «Основы учения о трении, износе и смазке машин». В" 1956: году И. В. Крагельский и В. С. Щедров опубликовали монографию? «Развитие науки о трении», в которой отмечают, что трение представляет собой®сложную совокупность^ многих физических явлений,' и раскрывают путь развития научной мысли в этом направлении с XVI века до 40-х годов XX' столетия. Монография о трении без. смазочного материала написана указанными авторамипо? первоисточникам? с глубоким анализом русских и зарубежных работ и получила признание во многих странах.

В 1957 году в сборнике «Теоретические основы конструирования машин» Ml М. Хрущев: дал обзор4 о «Развитии учения об износостойкости деталей машин», в котором последовательно изложил развитие работ в области износостойкости по отдельным наиболее разработанным вопросам: развития представлений о причинах и процессах изнашивания: исследование влияния шероховатости обработанной поверхности деталей машин на износ металловисследование абразивного изнашивания и изнашивания при схватыванииметоды испытания на изнашиваниеантифрикционные материалы и методы расчета деталей машин на износ.

Весьма перспективна возможность значительного улучшения фрикционно-износных характеристик некоторых пар трения при граничной смазке за счет реализации эффекта избирательного переноса, открытого Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским в 1965 году. Следует отметить еще две работы отечественных трибологов, также удостоенных дипломами за открытия: эффекта аномально низкого трения при бомбардировке ядрами гелия некоторых материалов (А. А. Силин, Ml А. Тальрозе, Е. А. Духовский и другие.) и явления водородного изнашивания (А. А. Поляков, Д. Н. Гаркунов).

Б. И. Костецкий и, его ученики в 1976 году в книге «Поверхностная прочность материалов при трении» обобщили работы по изучению процессов трения и поверхностного разрушения, а также по вопросам образования вторичных структур при трении в условиях граничной смазки.

Заметный вклад в исследования изнашивания^ материалов был внесен Д. Ренни. В 1825 г. он опубликовал доклад Королевскому обществу в Лондоне, в котором излагались результаты экспериментов по трению и изнашиванию кожи, дерева, металлов, текстильных тканей и льда.

Следует все же отметить, что данная область трибологии развивалась весьма слабо, до начала XX в. В первую очередь это было связано с отсутствием потребностей техники. Типичные длятого времени узлы трения машин и механизмов, эксплуатирующиеся" при. низких скоростях, нагрузках и температуре, соответствовали требованиям долговечности. Изнашивание, как явление, не представляло особой^ опасности, а проблема повышения долговечности машин решалась в основном путем повышения точности изготовления трущихся деталей и применения более современных систем смазки. Столь малый прогресс в этой области трибологии привел к тому, что представление об изнашивании твердых тел оставались весьма упрощенными до начала XX в. Процесс изнашивания представляли как смятие, выламывание или срез выступов поверхностей контактирующих тел. Более того, господствовало мнение, что изнашивание можно изучить только эмпирически.

Началом систематических исследований природы изнашиваниятвердых тел при трении можно считать 30-е гг. XX в., когда были опубликованы работы В, Д. Кузнецова, а впоследствии В. Ф. Лоренца, И. ВКрагелъского, А. К. Зайцева,, Ф. Боудена, Д. Тейбора, В. С [Дурова, М. М. Хрущева, Ф. Барвелла и другие. Первая попытка получить формулу длярасчета износа на основании эмпирических данных, была сделана ВТонномв* 1937 г. Черезтри года В.' Нолъм предложил рассчитывать, износ, основываясь на атомарном механизме: изнашиваниятвердых тел. Наиболее глубокие и обширные исследованияв области создания расчетных методов оценки износа стали осуществляться начиная с 50-х гг. при развитии адгезионной и усталостной теорий изнашивания. .

Трибологические исследования на кафедре мехатроникиСПб ГУ ИТМО начались с экспериментальных исследований.- надежности кабельных конструкций [3 8,46]. Первые исследования в данной области были проведены в начале 90-х годов. На основе аналогов, было разработано устройство для испытанияматериалов на трение, которое имитировало условие взаимодействия элементов гибких кабелей [1,2,3], приближенное к реальным условиям. Держатели^ образцов обеспечивали расположение элементов аналогичное их расположению относительно друг друга в самом кабеле, учитываяшри этом-'типкабеля количество токопроводящих жил в нем.

Устройство было. снабжено аналоговой регистрирующей аппаратурой, куда подавались сигналы от двух датчиков: Первый датчик измерял усилие взаимодействияF между элементами, другой — перемещение нижнего образца Д. ' ': ' ' - «.

При одновременной, работе двух датчиков получались ди аграммы. F-А, а при отключении одного из них можно получить закон изменения скорости, перемещения и силы во времени. Все эти диаграммы снимались с осциллографа на бумажный носитель и затем подвергались обработке.

Основной задачей при обработке экспериментальных данных являлось определение коэффициентов демпфирования трибологической системы.

Методика определения коэффициентов демпфирования была основана на исследовании диаграмм, получающихся в результате ' трибологических испытаний пар трения, в качестве которых взяты образцы элементов кабельных конструкций.

В результате испытаний получены-диаграммы, аналогичные представленным на рис. 1. Это совмещенные циклограммы перемещений, скоростей* и трибологических усилий сопротивления: нулевому значению скоростей Г (рис. l. a) соответствует максимальное значение перемещения держателя и (рис. 1.6) — гребешки на синусоиде трибологических усилий сопротивления (рис. 1. в) соответствуют некоторой окрестности AT — окно свободных затуханий колебаний (ООЗК), точки нулевого значения скорости V. На рис. 1. г в локальной системе координат изображены локальные колебательные процессы, возникающие в ОСЗК.

Экспериментальная база для испытания трибологических пар элементов кабельных конструкций позволяла создавать окна свободных затухающих колебаний и соответственно получать экспериментальные данные для.

V/.

At.

Рис. 1. Колебательные процессы вычисления характеристик упругости [11,71], пластичности [36,62] и вязкости трибологических пар, в том числе в критических точках.

Методика позволяла оценить значения коэффициентов демпфирования и точности их определения для любых типов, исследуемых кабелей.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что предыдущая методика наряду с преимуществами имела такие недостатки:

• анализ и обработка велась только на основании выходных данных;

• не производилось сопоставление полученных характеристик с качеством поверхности, то есть не рассматривали профилограммы поверхности испытываемых образцов;

• большая трудоемкость и низкая скорость обработки экспериментальных данных;

• сложность самого процесса измерений, требующего постоянного участия оператора установки;

• низкая точность измерений, связанная с необходимостью обработки информации на бумажном носителе.

Исходя из недостатков вышеприведенного и опираясь на существующие возможности, установка «ТРИБАЛ-2» [4,55,56,57,59] не раз претерпевала модернизации, в ходе которых была разработана принципиально новая конструкция, а так же методика проведения трибологического эксперимента.

5. Результаты работы использованы при оптимизации чеканочного производства на Санкт-Петербургском монетном дворе, что позволило усовершенствовать технологию процесса.

Заключение

.

1. Создана установка «ТРИБАЛ-2» — прибор для оперативной оценки качества обрабатываемой поверхности.

2. Обоснован выбор аналитических средств оперативной идентификации процесса фрикционного взаимодействия трущихся поверхностей.

3. Произведена разработка и выбор программных средств: ввода информации в компьютерпараметрической идентификации процесса фрикционного взаимодействиявзаимодействия с банком данных в целях установления соответствия параметров идентификации и мер качества поверхностиоперативного обновления базы данных.

4. Установлено, что в процессе взаимодействия трибопар параметры идентификации физической модели: коэффициент демпфирования и приведенная частота колебаний эволюционируют.