Влияние скорости трения и других факторов на акустические свойства фрикционного контакта

Рассмотренная выше модель фрикционного контакта очень схематична и не учитывает влияния целого ряда факторов, к важнейшим из которых относится скорость трения.

На рис. 17 показаны примеры изменения уровней СКЗ амплитуды ВА сигнала при росте скорости трения различных материалов по стальной поверхности. Несмотря на то, что эксперименты проводились с разными материалами, средний угол наклона у представленных зависимостей приблизительно одинаков. В первом приближении можно полагать, что амплитуда высокочастотного ВА сигнала приблизительно линейно зависит от скорости трения. Это допущение делается с оговоркой, что на процесс трения не действуют возмущения в виде автоколебания и т. п. воздействия. Но главное условие для такого утверждения состояло в том, что температура в контакте не должна существенно влиять на модуль упругости наименее прочного элемента в паре трения.

Рис. 17. Примеры изменения уровней ВА сигнала в октавной полосе с СГЧ 31,5 кГц с ростом скорости при трении различных материалов по стали 45: 1 – бронза АЖ9; 2 – ВОК-60; 3 – алюминиевый сплав Д16; 4 – фторопласт

Механизм влияния скорости трения на мощность ВА излучения определяется возмущающим фактором со стороны соударяющихся неровностей и стабилизирующим фактором со стороны процесса адгезионного взаимодействия. При увеличении скорости трения могут меняться характеристики силовых импульсов, возникающих при взаимодействии микронеровностей, и условия образования адгезионных связей, определяющие их прочность.

П ростое увеличение частоты взаимодействия микронеровностей за счет изменения какого-либо параметра трения во фрикционном контакте при достаточно больших ФПК не могут влиять на увеличение мощности ВА излучения. При увеличении скорости трения остается причину роста мощности ВА излучения искать в росте влияния отдельных взаимодействий и изменении прочности единичных адгезионных связей на генерируемую ВА мощность. В этой ситуации упрощенную зависимость мощности ВА излучения от скорости трения можно представить в виде:

, (2.5.1)

где V – скорость трения, F(V) – фактор, определяемый средним силовым возмущением, создаваемым при соударении двух микронеровностей, - жесткость единичного адгезионного контакта. Входящая в 2.5.1 константа обобщает все прочие факторы, которые считаются условно независящими от V.

Если амплитуда ВА сигнала приблизительно пропорциональна V, то мощность ВА сигнала должна быть пропорциональна V². В работе [47] на основании экспериментальных исследовании делается заключение, что с изменением V фактор F(V) увеличивается приблизительно пропорционально . Для того, чтобы E(V) увеличивалась пропорционально V², как это показывают эксперименты, необходимо в выражении 2.5.1 иметь знаменатель (V), меняющийся с ростом V пропорционально V ^-3/2. Следовательно, с ростом скорости прочность связей, образующихся в результате их рекомбинации, убывает быстрее, чем растет возмущающее воздействие от ударов микронеровностей. В связи с тем, что изменение характера адгезионного взаимодействия оказывает доминирующее влияние на изменение мощности ВА сигнала при трении, то необходимо более подробно рассмотреть связь скорости трения с прочностью адгезионных мостиков.

Адгезия, являясь процессом электронного обмена, состоит из двух этапов: сближения на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки, необходимое для межатомного взаимодействия, и самого электронного взаимодействия. Факторы, которые способствуют увеличению давления и площади контактной зоны, повышают вероятность возникновения адгезионных связей. С уменьшением скорости трения увеличивается время взаимодействия отдельных неровностей. Если взять за основу положение о том, что пластические деформации запаздывают по отношению к моменту возникновения напряжения, вызывающего эти деформации, то становится очевидным, что с ростом времени взаимодействия отдельных неровностей увеличиваются пластические деформации, сопровождающие это взаимодействие, и неровности глубже проникают друг в друга, позволяя вступить в контакт новым неровностям. При больших пластических деформациях вокруг каждой контактирующей неровности создается большее пятно из новых контактов, что и увеличивает локальную жесткость в контакте, ускоряя переходный процесс изменения мощности ВА сигнала при росте ФПК.

Относительно запаздывания пластических деформаций можно сказать, что этот механизм объясняется действием структурных причин, связанных со временем, необходимым для освобождения заблокированного источника дислокаций или для его зарождения. Т.е. речь идет о задержке пластических деформаций. Теория этого явления основана на том, что вероятность освобождения блокированного источника дислокаций, т.е. вероятность пластической деформации, будет расти с увеличением времени воздействия упругого поля. В работах, посвященных изучению зависимости силы трения от скорости, авторы предлагают зависимость коэффициента трения (μ) от скорости трения выражать зависимостями, подобными следующей:

. (2.5.2)

Для входящих в это выражение параметров даются дополнительные комментарии. Параметр а существенно зависит от физических свойств материалов пары трения. Он увеличивается с возрастанием модуля упругости, скорости релаксации напряжений и шероховатости поверхности трения. Параметр b зависит от вязкопластических свойств материалов, а параметр с является произведением декремента затухания колебаний на коэффициент вязкости контактных слоев. Параметры b и с зависят от давления, т.к. с его увеличением вязкость контакта возрастает. Параметр d характеризует влияние конструкции пары трения и режима трения.

Существенным недостатком последней формулы, впрочем, как и всех подобных ей, является невозможность предварительного учета влияния давления, размера поверхности, сложность численного определения параметров a, b, c, и d, существенно зависящих от температуры и от всего комплекса физико-химической механики при трении. Эти параметры предполагается определять из экспериментов, при которых оценивается зависимость μ от V при различных давлениях p_a. Составляется система из четырех уравнений, решение которых позволяет вычислить параметры a, b, c, и d при данном номинальном давлении р_а.

В общем виде зависимость μ от V носит экстремальный характер, но при больших V коэффициент трения падает с ростом V. При пластическом контакте скорость трения влияет на величину μ через скорость распространения пластической деформации. При увеличении V пластическая деформация локализуется в тонком поверхностном слое и μ снижается.

Следует признать, что к настоящему моменту отсутствует удовлетворительная теория кинетического трения (трения движения) [15]. Однако приведенные примеры показывают, что экспериментальные и теоретические поиски многих исследователей подтверждают изменение характера контактного взаимодействия в трущейся паре с изменением скорости относительного движения. В связи с тем, что трибология имеет за плечами долгую историю и большой накопленный материал, то и в трибоакустике, естественно, стремятся выражать параметры, влияющие на мощность ВА сигнала, через уже широко использующиеся и имеющие экспериментальную проверку параметры, такие как, например, коэффициент трения, номинальное и фактическое давление и т.п.

Используя закон аддитивности трения можно утверждать, что суммарная мощность Е_Т, расходуемая на преодоление сопротивления на отдельных пятнах контакта, равна произведению среднего значения энергии, расходуемой на преодоление сопротивления на одном пятне на количество пятен, разрушающихся в единицу времени (n). Если каждый адгезионный мостик смоделировать в виде пружины с жесткостью , а средний путь, на котором она сопротивляется движению, обозначить через «l», то можно представить Е_Т такими выражениями:

. (2.5.3)

В первом приближении количество мостиков, разрушающихся в единицу времени, пропорционально площади (S) и давлению (р) в контакте и скорости трения V. Следовательно:

, (2.5.4)

где n₀ – количество мостиков при единичных площади, давлении и скорости.

Если правую и левую части выражения 2.5.5 разделить на V, то получится выражение для силы трения F_TР:

. (2.5.5)

С учетом того, что F_TP = N·μ, а N/S = p, где μ – коэффициент трения, а N – сила нормального давления, выражение 2.5.5 можно упростить и записать так:

. (2.5.6)

Это говорит о том, что при преобладании адгезионного трения, а именно так происходит при трении металлов, коэффициент трения в первом приближении пропорционален прочности образующихся на пятнах контакта адгезионных связей. Это позволяет выражение 2.5.1 записать в виде:

. (2.5.7)

Все сказанное в этом разделе предполагает, что температура контакта испытываемых материалов не оказывает существенного влияния на процессы в контакте. На самом деле влияние температуры на молекулярное трение пока изучено недостаточно. Температура контактирующих поверхностей оказывает влияние не только на физические характеристики взаимодействующих материалов, но и на скорости протекания тех процессов, которые определяют время создания адгезионного соединения. Выделяются две стадии в процессе схватывания одноименных металлов под нагрузкой: пластическое смятие неровностей и структурную подстройку атомов. При низкой температуре схватывание лимитируется скоростью пластической деформации, при высокой - скоростью подстройки атомов. Феноменологически это поясняется графиком, показанным на рис. 18.

Рис. 18. Зависимость скорости пластических деформаций и скорости подстройки атомов от температуры

В некоторых работах, связанных, например, со шлифованием доказывается, что время, необходимое для активации атомов для образования адгезионных мостиков, растет с увеличением скорости шлифования. Время взаимодействия зерен шлифовального круга с материалом заготовки с ростом скорости наоборот уменьшается. На основании этого делается вывод, что при достижении некоторого критического значения скорости резания адгезионные явления исчезнут совсем. Это подтверждается всей практикой резания металлов, рост скорости резания ведет к уменьшению процессов наростообразования. Остается вопрос о роли скорости трения. Является ли она непосредственным фактором, определяющим время активации атомов, или это влияние происходит через изменение температуры контакта.