Очевидно, что смазочная пленка (между исследуемым образцом и плоскостью), толщина которой несколько больше максимальной высоты выступов, будет полностью разделять две трущиеся поверхности. В случае поверхностей, обработанных по высшему классу чистоты, это условие выполняется при толщине пленки порядка 50–70 мкм, и тогда контактная пара ведет себя в соответствии с законами гидродинамики. Однако в режиме граничного трения смазочная пленка слишком тонка, чтобы она могла обеспечить полное разделение трущихся поверхностей. Самые высокие выступы обеих поверхностей при движении задевают друг за друга. При этом локальное контактное давление может быть столь большим, что возможна деформация материала. Интенсивность выделения энергии на микроучастках деформации нередко бывает такой, что происходят высокотемпературные вспышки частиц материала.
2.3. Износ.
В режиме сухого или граничного трения противолежащие выступы контактирующих поверхностей трутся друг о друга и изнашиваются. По степени и характеру фрикционный износ может варьироваться в широких пределах от желательного (специальная операция тонкого полирования – притирки – в контролируемых условиях) до истирания, заедания и разрушения. Если пока не учитывать влияния химического состава смазочного материала, то можно представить себе несколько упрощенный механизм износа контактной пары, работающей в условиях граничного трения. В точках локального контакта возникают напряжения сдвига, превышающие предел упругости, а температура материала повышается. Происходит срыв материала с верхушек выступов, а из-за своей ограниченной подвижности соседние молекулы смазки не успевают закрыть обнажившиеся участки контактной поверхности; они остаются чистыми и химически активными. В результате образуются и при дальнейшем движении тут же разрушаются многочисленные мостики микросварки двух соприкасающихся поверхностей. При этом механическая энергия движения преобразуется в тепловую с повышением температуры поверхности. Разрыв мостиков микросварки дополнительно приводит к локальному резкому и значительному повышению температуры. В результате начинается химическое разложение смазки с образованием окислов, карбидов и смолистых отложений и медленно, но неуклонно снижается качество смазки. Ухудшение состояния поверхностей трения ускоряется из-за абразивного действия множества оторвавшихся частичек материала контактной пары. Все эти эффекты приводят к общему усилению трения, увеличению энергетических затрат и интенсификации износа.
Очевидно, что работа машин и механизмов в условиях граничного трения крайне нежелательна по двум причинам: из-за потерь энергии и из-за риска отказа трущихся элементов вследствие неизбежного их изнашивания. Для эффективной работы системы (с небольшим трением и без износа) необходимо, чтобы трущиеся элементы были всегда и полностью разделены слоем смазки при их движении и полностью разделены в период отсутствия движения.
Первое из этих требований выполняется путем оптимизации проектирования. При вращении шипа (шейки вала) в подшипнике в условиях жидкостного трения за счет внутреннего давления жидкости автоматически поддерживается такая толщина пленки смазочного материала, при которой поверхности кинематической пары, пока она работает, не могут прийти в прямое соприкосновение. Когда же машина останавливается, гидравлический подпор шейки вала в подшипнике прекращается, и толщина пленки смазки под шейкой уменьшается вследствие ее выдавливания силой тяжести вала. Само по себе это не страшно, но при последующем включении машины проходит некоторое время, пока не установится режим жидкостного трения. В этот начальный период подшипник работает в условиях граничного трения. В тяжелом механическом оборудовании некоторых типов предусматривается подача смазки в подшипник под давлением через отверстия и по канавкам в области контакта, благодаря чему перед пуском создается достаточно толстая, полностью защищающая поверхности контакта смазочная пленка.
2.4. Жидкостное трение.
О режиме жидкостного трения можно говорить, когда движущиеся поверхности полностью разделены толстой пленкой смазки и непосредственный контакт элементов пары отсутствует Трение в этом случае сводится к вязкостному сопротивлению в самом слое смазки, обусловленному сдвигом соседних слоев пленки, т.е. к внутреннему трению. Пока такая жидкая пленка цела, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прилипала к движущимся поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзывания смазки относительно поверхностей.
Рис. 2.4
Случаи жидкостного и граничного трения сопоставляются на рис. 2.4, где A – движущаяся поверхность, B – неподвижная поверхность, а C – пленка. Шероховатость поверхностей для наглядности сильно преувеличена. В условиях граничного трения (рис. 2.4 ,а) некоторые выступы соприкасаются друг с другом. В случае же жидкостного трения (рис. 2.4,б) движущиеся части полностью разделены достаточно толстой пленкой смазки.
2.5. Трение качения.
Если рассматриваемое тело имеет форму цилиндрического катка и под действием активных сил может катиться по поверхности другого тела (см. Рис. 2.5) , то из-за деформации поверхностей этих тел в месте их соприкосновения возникают силы реакции, препятствующие как скольжению, так и качению катка. Примерами таких катков являются различные колеса, например, колеса локомотивов, электровозов, вагонов, автомашин и т.д.
Во время изучения силы трения качения были установлены следующие законы:
- максимальный момент пары сил, препятствующий качению, в широких пределах не зависит от радиуса катка.
- максимальный момент сопротивления качению пропорционален силе нормального давления катка на опорную плоскость и достигается в момент выхода катка из положения равновесия
- коэффициент трения качения зависит от материала катка, опорной плоскости, а также от физического состояния их поверхностей.
Рис. 2.5
Коэффициент трения качения при качении можно считать не зависящим от угловой скорости качения катка и его скорости скольжения по плоскости.
Законы трения качения, как и законы трения скольжения, справедливы для не очень больших давлений и не слишком легко деформируемых материалов катка и плоскости. Для начала качения требуется значительно меньшая сила, чем для начала скольжения тела одинакового веса по горизонтальной плоскости. С точки зрения затрат энергии выгодно заменять скольжение качением. Изобретение колеса примерно 5000 лет назад явилось огромным достижением человечества по пути борьбы с трением. Так как наш работа посвящена лыжным гонкам, мы не стали раскрывать трение качения так же подробно как трение скольжения.
3. Лыжи и трение.
Занятия лыжным спортом, так же как лыжные прогулки и походы, невозможно представить без лыжных смазок. В настоящее время ведущие фирмы выпускают такое количество различных мазей и парафинов, что человеку, далекому от лыжного спорта, порой не просто разобраться, что к чему. Что делать с таким количеством смазки и как этим пользоваться? Для того чтобы понять, в чем смысл мазей нужно иметь элементарное представление о снеге.
3.1 Характеристики снега.
Содержание воды, грязи, температура снега и воздуха, размер и форма кристаллов - это наиболее важные характеристики снега, учитываемые при подготовке лыж. Снег различается по твердости, размеру кристалла и упругости. Именно эти различия и будут, в конечном итоге, обуславливать наш выбор мази и подготовки скользящей поверхности.
Некоторые виды снега, особенно при температуре в пределах -1°C - -7°С, не создают серьезных проблем со скольжением или держанием. Иметь же дело с другими видами снега, такими как, например, очень холодный снег, мокрый снег и снег около 0°С, намного сложнее. Бывает и такой снег, на котором очень сложно сохранить скольжение на дистанции, превышающей несколько километров. Особенно это относится к грязному снегу. Вследствие растущего промышленного загрязнения, где бы мы ни катались, мы все чаще и чаще сталкиваемся с грязным снегом, и поэтому при выборе мази важным фактором является грязеустойчивость.
Рассмотрим различные типы снега, начав с самого холодного.
3.1.1. Очень холодный снег.
В самом низу температурного диапазона находиться очень холодный снег, который представляет особые трудности для получения хорошего скольжения. Как правило, для холодного снега характерны колючие остроконечные кристаллы, которые к тому же, вследствие холода, очень жесткие. Эти острые кристаллы врезаются в мазь на скользящей поверхности, как гравий а покрышку автомобиля, и таким образом препятствуют скольжению. Кроме того, они обладают высокими абразивными свойствами, что приводит к быстрому истиранию мази. По этим причинам для очень холодного снега необходимы гладкая скользящая поверхность и очень твердая мазь. При холодном снеге очень легко добиться хорошего держания, однако, как и в случае со смазкой лыж для скольжения, найти держащую мазь, которая бы скользила и была бы "комфортной", может оказаться не так-то просто.
3.1.2. Холодный и "средний" снег.
Для холодного и среднетемпературного снега достаточно легко подготовить лыжи. Кристаллы не такие острые, как при очень холодном снеге, и поэтому они не так глубоко проникают в мазь и не так сильно тормозят лыжи; структура кристаллов уже не такая жесткая, они становятся чуточку эластичнее. Оба этих фактора означают, что такой вид снега создает меньше трения. Кроме того, в таком снеге содержание воды, как правило, не достаточно для того, чтобы привести к проблемам с подсасыванием. Практически вес смазочные компании выпускают мази, которые хорошо работают от - 1°С до -7°С или 8°С.
3.1.3. "Нулевой" снег.
Снег около 0°С таит в себе целый ряд трудностей. Обычно присутствует большое количество воды, и в то же время очень близка точка замерзания. Таким образом, проблема заключается как в подсасывании, так и в возможном обледенении. Современные мази скольжения (фторуглероды) показывают свои лучшие качества в этом температурном диапазоне, а новые держащие мази, многие из которых содержат фторуглероды, работают в этих условиях намного эффективнее прежних. "Механическое" держание также является одним из возможных решений ("рыбья чешуя", ворс и т.д.).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
