Работы Леонардо да Винчи были забыты, и трением снова стали интересоваться в рамках развития других наук спустя почти два столетия. И. Ньютон сформулировал закон, определяющий зависимость между сопротивлением внутреннего трения жидкости и силой, необходимой для преодоления этого сопротивления.
Этот период охарактеризовался замечательными достижениями в конструировании подшипников и зубчатых передач. Примеры этого следующие:
Определение эвольвенты зубчатого колеса и геометрических принципов зубчатых зацеплений Хьюгенсом (1665), де ла Найэром (1694) и Леопольдом.
Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками (17 век) (Рис.1.16).
Рис.1.16
Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипиковыми блоками для компенсации износа (Плюмис, 1701 год) (Рис.1.17).
Рис.1.17
Однако все еще находили некоторое применение деревянные зубчатые передачи.
Новые смазочные материалы не разрабатывались, однако применение известных становится все более важным.
В китайских публикациях за 1637 год мы можем прочесть что "одна капля масла в подшипник делает повозку, а тысяча капель - корабль, готовым к эксплуатации".
Многие исследователи осознали, что свиной жир (Амонтон, де ла Найар) и растительные масла могут использоваться как смазочные материалы.
Все больше и больше ученых вовлекаются в разработку теорий трения и изнашивания. Вот некоторые примеры:
· Роберт Хук (1680): Закономерности трения качения;
· Исаак Ньютон (1687): определяет вязкость как меру внутреннего трения жидкостей: вязкость = напряжение сдвига / скорость света.
· Гильом Амонтон (1699): подтвердил законы трения Леонардо да Винчи;
· Леонард Эйлер (1750): аналитическое определение трения; обозначил коэффициент трения символом m.
Опять этот период характеризуется улучшением в понимании функционирования элементов и деталей машин, что и привело к более совершенным их конструкциям, это эра Джеймса Ватта.
Примеры зубчатых зацеплений:
Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла (1758) (Рис.1.18).
Рис.1.18
Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом (1781) (Рис.1.19).
Рис.1.19
Примеры радиальных подшипников:
Предложение конструкции радиальных подшипников для осей экипажа, сделанные Фелтоу (1794) (Рис.1.20).
Рис.1.20
"Высокотехнологичный" подшипник колеса железнодорожного вагона (1830) (Рис.1.21).
Рис.1.21
Примеры роликовых подшипников:
Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии (1770) (Рис.1.22).
Рис.1.22
Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора (Патент Вогана, 1794) (Рис.1.23).
Рис.1.23
В этот период для применения были доступны несколько видов животных, растительных и минеральных масел, также как и твердых смазочных материалов. Было выдано несколько патентов на смазочные композиции (формула смазочного материала). Примеры следующие:
· 1812 год, Британский патент 3573 (Генри Томас Хардакр): Смесь графита и свиного жира (1:4) для получения пластичного смазочного материала;
· 1835 год, Британский патент 6945 (Натаниэль Партридж): Смесь оливкового масла и извести, растворенная в воде. Для повышения эксплуатационных характеристик необходимо добавлять пальмовое масло, жир или графит;
· 1848 год, Британский патент 12109 (Джозеф Джон Долан) :Состав смазочного материала с высокими эксплуатационными характеристиками
Снова развитие фундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризовано перечислением выдающихся ученых того времени и их достижений:
· Шарль Августин Кулон (1785): подтверждение законов трения Л. Да Винчи и Амонтона.
· Джордж Рени (1825): измерение трения и износа; первый список коэффициентов трения для различных материалов; зависимость износа от смазки.
· Шарль Хатчет (1803): зависимость износа от материала.
· Клод Луи Навье (1822): определение и использование слова "вязкость".
· Джордж Габриэль Стокс (1845): определение совместно с Навье уравнений движения, ставших позднее основой гидродинамической теории.
Тогда как все еще довольно примитивные конструкции применялись для подшипников и зубчатых передач, а также выбор материалов был очень простым, некоторые значительные усовершенствования могли быть отмечены:
Смазываемый водой радиальный подшипник для буксы, сконструированный Артсом (1860) (Рис.1.24).
Рис.1.24
Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом, основателем СКФ. Шарикоподшипник с саморегулируемым угловым контактом (Рис.1.25).
Рис.1.25
Зубчатая передача для первого электрического локомотива, сконструированная Сименсом (1879) (Рис.1.26).
Рис.1.26
Ведущая шестерня главной передачи для автомобиля (1902) (Рис.1.27).
Рис.1.27
В области смазочных материалов были сделаны следующие достижения:
Растительные и животные масла интенсивно вытеснялись минеральными маслами.
Наиболее характерными для практического применения были следующие смазочные масла, полученные дистилляцией (перегонкой) и очисткой (1916): легкое и тяжелое веретённое масло; компрессорное масло; легкие и тяжелые машинные масла; очищенные цилиндровые масла.
Первые присадки в масло: диспергированный графит, эмульгаторы; компоненты, повышающие вязкость.
Известные ученые, инженеры и трибологи исследовали соотношение между трением, износом и смазкой, особенно применительно к радиальным подшипникам. Наиболее важное открытие было сделано Б. Тауэром в 1885 г., который обнаружил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Это открытие привело к успехам в конструировании и эксплуатации подшипников.
Вот ряд знаменитых имен:
· Густав Адольф Гирн (примерно 1880 год): подтвердил законы трения Л. да Винчи, Амонтона и Кулона.
· Генрих Рудольф Гер (1881): физические законы трения качения.
· Бишам Тауэр (1883): определил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Интеграл гидродинамического давления в окружном и осевом направлении равен средней нагрузке подшипника.
· Николай Павлович Петров (1883): законы трения концентрических радиальных подшипников.
· Осборн Рейнольдс (1885): математическая разработка гидродинамических эффектов. Уравнение Рейнольдса для гидродинамического давления - основа для расчета подшипников.
· Ричард Штрибек (1902): измерение трения / подтвердил наличие гидродинамических эффектов. Кривая Штрибека: соотношение между трением, нагрузкой, скоростью и вязкостью.
· Йоаганн Вильгельм Зоммерфельд (1904): предложил аналитическое решение уравнения Рейнольдса. Ввел число Зоммерфельда.
Этот период времени будет освещен очень кратко. Если попытаться оценить все важнейшие достижения за этот период времени, то объем материала выйдет за рамки, отведенные под исторический анализ развития науки о трении и изнашивании. Особенно внушительны достижения в области машиностроения (конструирование узлов трения) и они требуют отдельной главы или статьи.
Подшипники и зубчатые передачи получили дальнейшее развитие путем внедрения теоретических разработок в практику. Этот процесс происходил на основе оптимизации узлов трения, выбора материалов, обработки поверхностей и смазки. Как следствие, возросли ресурс и межремонтные периоды эксплуатации механизмов и оборудования.
Для этого периода характерны следующие особенности:
· Разработка и применение присадок;
· Улучшение базовых масел минеральной природы с помощью новых производственных технологий;
· Распространение (появление) синтетических базовых масел.
· Создание смазочных материалов с высокими техническими характеристиками для эксплуатации в условиях высоких и низких температур, высоких нагрузок.
Необходимо выделить четыре основных момента для характеристики этого аспекта трибологии:
В настоящее время трибология признана всеми. Как отдельный предмет она преподается во многих высших и средних учебных заведениях и на курсах повышения квалификации. Созданы специализированные исследовательские центры, во многих институтах прибологические проблемы являются одним из важнейших направлений исследований.
Выпущено большое количество книг по трибологии и триботехнике, выходят специализированные периодические издания. Во многих странах действуют научные трибологические общества. Организуются национальные и международные конгрессы, конференции и симпозиумы.
Огромное значение трибологии и триботехники способствует быстрому их развитию, обучению трибологов всех уровней, росту количества публикаций и созданию исследовательских трибологических центров.
С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Но, несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения, и вопрос этот остается неясным. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы. Вот пример. Английский физик Гарди исследовал зависимость силы трения между стеклянными пластинками от температуры. Он тщательно обрабатывал пластинки хлорной известью и обмывал их водой, удаляя жиры и загрязнения. Трение увеличивалось с температурой. Опыт был повторен много раз, и каждый раз получались примерно одни и те же результаты. Но однажды, промывая пластинки, Гарди протер их пальцами. Трение перестало зависеть от температуры. Протерев пластинки, Гарди, как он сам считает, удалил с них очень тонкий слой стекла, изменивший свои свойства из-за взаимодействия с хлоркой и водой.
Когда говорят о трении, возникающем при соприкосновении поверхностей твердых тел, выделяют три вида сопротивления по взаимному перемещению тел:
· сопротивление, которое может возникнуть, когда тела неподвижны друг относительности друга – трение покоя;
· сопротивление, возникающее, когда одно тело скользит по поверхности другого, - трение скольжения.
· сопротивление, возникающее, когда одно тело катится по поверхности другого - трение качения.
При этом различают три несколько отличных физических явления:
· сухое трение - возникает при соприкосновении поверхностей двух очищенных и высушенных твердых тел, находящихся в естественном контакте друг с другом. Под «естественным контактом» понимается непосредственное и тесное соприкосновение тел, возможное при минимальной загрязненности их поверхностей;
· граничное трение – проявляется, как и в случае сухого трения с тем отличием, что на поверхность контакта наносят тонкую пленку чистого смазочного материала;
· жидкостное трение – возникает, когда движущиеся поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и непосредственный контакт элементов пары отсутствует.
Первые исследования трения, о которых мы знаем, были проведены Леонардо да Винчи примерно 450 лет назад. Он измерял силу трения, действующую на деревянные параллелепипеды, скользящие по доске, причем, ставя бруски на разные грани, определял зависимость силы трения от площади опоры. Но работы Леонардо да Винчи не были опубликованы. Они стали известны уже после того, как классические законы трения были в 17-18 в.в. вновь открыты французскими учеными Амонтоном и Кулоном.
Вот эти законы:
Триста лет исследований трения подтвердили правильность трех первых законов, предложенных Амонтоном и Кулоном. Неверным оказался лишь последний - четвертый. Но это стало ясно много позже, когда появились железные дороги и машинисты заметили, что при торможении состав ведет себя не так, как предсказывали инженеры.
Амонтон и Кулон объясняли происхождение трения довольно просто. Обе поверхности неровные, они покрыты небольшими горбами и впадинами. При движении выступы цепляются друг за друга, и поэтому тело все время поднимается и опускается. Для того чтобы втащить тело на "холмы", к нему нужно приложить определенную силу. Если выступы большие, то и сила нужна побольше. Но это объяснение противоречит одному очень существенному явлению: на трение тратится энергия. Кубик, скользящий по горизонтальной поверхности, останавливается. Его энергия расходуется на трение.
А поднимаясь и опускаясь, тело не тратит своей энергии. Вспомните аттракцион "американские горы". Когда санки скатываются с горки, их потенциальная энергия переходит в кинетическую, и скорость санок возрастает, а когда санки въезжают на новую возвышенность, кинетическая энергия, наоборот, переходит в потенциальную. Энергия санок уменьшается за счет трения, но не из-за подъемов и спусков. Аналогично обстоит дело и при движении одного тела по поверхности другого. Здесь потери энергии на трение также не могут быть связаны с тем, что выступы одного тела взбираются на бугры другого.
Есть еще возражения. Например, простые опыты по измерению силы трения между полированными стеклянными пластинками показали, что при улучшении полировки поверхностей сила трения сначала не меняется, а затем возрастает, а не убывает, как следовало бы ожидать на основании модели явления, предложенной Амонтоном и Кулоном.
Механизм трения значительно более сложен. Из-за неровностей поверхностей они соприкасаются только в отдельных точках на вершинах выступов. Здесь молекулы соприкасающихся тел подходят на расстояния, соизмеримые с расстоянием между молекулами в самих телах, и сцепляются. Образуется прочная связь, которая рвется при нажиме на тело. При движении тела связи постоянно возникают и рвутся. При этом возникают колебания молекул. На эти колебания и тратится энергия.
Площадь действительного контакта составляет обычно от одного до двух тысяч квадратных микронов. Она практически не зависит от размеров тела и определяется природой поверхностей, их обработкой, температурой и силой нормального давления. Если на тело надавить, то выступы сминаются, и площадь действительного контакта увеличивается. Увеличивается и сила трения.
При значительной шероховатости поверхностей большую роль в увеличении силы трения начинает играть механическое зацепление между "холмами". Они при движении сминаются, и при этом тоже возникают колебания молекул.
Рассмотренная нами модель трения довольно груба. Мы не останавливались здесь на диффузии молекул, то есть на проникновении молекул одного тела в другое, на роли электрических зарядов, возникающих на соприкасающихся поверхностях, на роли и механизме действия смазки. Эти вопросы во многом неясны, а объяснения спорны. Можно только удивляться тому, что при такой сложности трение описывается столь простым законом: F = mN. И хотя коэффициент трения m не очень постоянен и несколько меняется от одной точки поверхности к другой, для многих поверхностей, с которыми мы часто сталкиваемся в технике, можно делать достаточно хорошие оценки ожидаемой силы трения.
Абсолютные значения коэффициентов трения для различных трибологических пар приведены на Рис. 2.1
Рис. 2.1
Сухое трение имеет одну существенную особенность: трение покоя. Если в жидкости или газе трение возникает только при движении тела и тело можно сдвинуть, приложив к нему даже очень маленькую силу, то при сухом трении тело начинает двигаться только тогда, когда проекция приложенной к нему силы F на плоскость касательную к поверхности, на которой лежит тело, станет больше некоторой величины. Пока тело не начало скользить, действующая на него сила трения равна касательной составляющей приложенной силы и направлена в противоположную сторону. При увеличении приложенной силы сила трения тоже возрастает, пока не достигает максимальной величины, равной mN, при которой начинается скольжение. Дальше сила трения уже не меняется.
Остановимся теперь на последнем законе Амонтона - Кулона: сила трения не зависит от скорости тела. Это не совсем так.
Вопрос о зависимости силы трения от скорости имеет очень важное практическое значение. И хотя эксперименты здесь имеют много специфических трудностей, они окупаются использованием полученных сведений, например, в теории резания металлов, в расчетах движения пуль и снарядов в стволе и т. д.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
