Трибология, и основы дисциплины

  Гидродинамическое (жидкостное) трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем масла. Минимальная толщина слоя должна быть больше, чем суммарная высота наиболее высоких микронеровностей обеих поверхностей: hmin( (Rmax1+Rmax2(. 

2.3 Фрикционные  автоколебания. 

  Проведём самый простой эксперимент. Будем тянуть тело с помощью троса, в который врезана пружина динамометра, и притом потянем за хвостик с постоянной скоростью. Окажется, что само тело не двигается с той же скоростью, а перемещается толчками. И это легко качественно объяснимо с помощью представленной выше картины. Действительно, один конец пружины прикреплен к телу, а второй начинает удаляться. К телу приложена упругая сила пружины, пропорциональная ее растяжению. Вначале эта сила мала и меньше силы упругого сцепления контакта (трения покоя), так что тело стоит на месте, а точнее, испытывает только незаметное микросмещение. При дальнейшем вытягивании сила пружины преодолевает силу контакта и тело начинает скользить по поверхности. Но сила сопротивления скольжению ниже статического трения, и возникает положительная разность сил, разгоняющая тело. Пружина начнет сжиматься, а создаваемая ею упругая сила - уменьшаться, тело тормозится, вновь прилипает к поверхности, и придется затратить еще время, чтобы вновь растянуть пружину для преодоления трения покоя.Таким образом, движение тела оказывается колебательным, в котором периодически сменяются фазы прилипания и скольжения (по-английски это звучит короче - stick and slip). Такое движение принято называть фрикционными автоколебаниями: фрикционными потому, что они порождены трением (friction), а авто потому, что они не навязаны извне какой-либо внешней колеблющейся силой, а являются внутренним свойством системы.

       Внешнее воздействие - движение  конца троса не является колебательным,  трос движется с постоянной  скоростью. Конечно, через этот  трос мы «подпитываем» тело  энергией, поэтому-то колебания являются  незатухающими, несмотря на потери энергии в контакте. Причинами колебаний являются реологические свойства контакта, а также упругие свойства элементов пары трения и их связей с другими деталями.

  Главным проявлением реологии контакта является рост статической силы трения с увеличением времени неподвижного контакта и скачкообразное падение силы трения при переходе от покоя к движению, а затем падение силы трения с ростом скорости скольжения, вызванное, главным образом, скачком температуры на пятнах контакта. Динамическая модель такой системы изображена на рисунке:Схема модели фрикционных автоколебаний.

     Фрикционные автоколебания - крайне нежелательный  эффект в технике. Для многих машин  требуется обеспечить плавное, без  толчков, медленное движение.

  Сварочный робот должен плавно вести сварочный аппарат вдоль свариваемого шва: если возникнут колебания, то в одном месте будет перегрев и свариваемые пластины деформируются, а в другом сварка не осуществится вовсе, аппарат его проскочит. А ведь робот - это механизм, в узлах которого обязательно возникает трение. При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.).

  Обрисованная картина указывает и на два главных пути уменьшения трения: улучшить качество обработки поверхностей, чтобы уменьшить пики, а тем самым силу страгивания, или обеспечить возможно лучший доступ смазки и сохранность поверхностного слоя. Это самые важные пути, и они предназначены не только для борьбы за плавность хода, но прежде всего для борьбы с ненужными потерями энергии в скользящих контактах. Поиском эффективных видов смазочных материалов и способов их подвода к скользящим поверхностям занимается большое количество специалистов. В зависимости от уровня гашения колебания могут существовать либо не возникать вовсе. От этого зависит устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании. 

2.4 Вибрационное  сглаживание. 

  Проведём самый простой эксперимент, который можно осуществить не отходя от стола. Положим какой-нибудь достаточно тяжёлый предмет (например, тяжёлую книгу) на лист бумаги и попытаемся затем вытянуть этот лист из-под предмета. Если медленно потянуть за лист, книга поползет вместе с ним.Попытаемся тянуть не равномерно, а толчками. Скорость движения вытягиваемого листа будет переменной, и, хотя в среднем она может быть прежней или даже меньшей, обнаруживаем, что книга почти останется на месте, а лист из-под нее вытянется. Книга не отцеплялась от листа из-за наличия сухого трения, большой силы трения покоя. Это сцепление уменьшилось только из-за того, что переменная скорость позволила преодолеть барьер трения покоя и привести тела во взаимное движение. Вернемся теперь к основной экспериментальной схеме. Пусть на основное движение вытягиваемого конца троса наложены высокочастотные вибрации.Соответственно и сила, приложенная к телу, будет быстро колебаться, вибрировать. Экспериментатор может обнаружить замечательный эффект: неприятное движение толчками исчезнет, прилипание отсутствует, тело будет двигаться плавно, лишь слегка вздрагивая под действием колебаний силы, причем эти колебания могут быть почти незаметны для глаза.

       Измерения показывают, что средний  уровень силы, регистрируемой динамометром, плавно растет с ростом средней  скорости вытягивания троса вплоть до уровня трения скольжения. Отметим, что с увеличением размаха(амплитуды) вибраций кривая становится все более пологой.

       Главный вывод: при не слишком  больших средних скоростях средняя  сила сопротивления ведет себя  не как сухое трение, а как  вязкое, жидкое, пропорциональное скорости, а при росте амплитуды эта  "средняя" вязкость падает. Такой эффект принято называть  вибрационным сглаживанием или  ожижением сухого трения под  действием высокочастотных вибраций. Он с успехом используется  в технике, в особенности в  системах управления, использующих  механические устройства. В частности,  он позволяет сделать движение  робота более плавным, а робота более послушным даже слабым сигналам. Итак, для обеспечения вибрационного сглаживания требуется приложить быстроменяющуюся силу. Поэтому ясно, что классическая модель может оказаться непригодной. Однако математическая задача описания даже простого эксперимента становится очень сложной. Получить явное точное решение здесь невозможно. Однако удается построить достаточно точное приближенное решение, используя идеи российских математиков Н.Н. Боголюбова и А.Н.

  Тихонова. Приводить строгие формулировки их теорем затруднительно, но их смысл достаточно прост. Теорема Боголюбова утверждает: если на тяжелое, инерционное тело действуют быстроколеблющиеся силы, то оно в основном реагирует только на среднее значение силы, испытывая лишь дополнительные колебания малой амплитуды, которыми можно пренебречь. Теорема Тихонова говорит: если в системе могут совершаться и быстро устанавливающиеся и медленные движения, то при рассмотрении медленных движений можно пренебречь процессом установления быстрых.

       На самом деле эффект вибрационного  сглаживания может проявляться  и совсем нежелательным образом,  о чем гласит такая печальная  история. К северу от

       Петербурга находится самое большое  в Европе Ладожское озеро. Те, кто бывал на нем, хорошо  знакомы с его коварным характером. Оно может быть обманчиво тихим,  с "зеркальной гладью вод", но внезапно откуда-то из-за  скал подует ветер, и через  час разгуляются волны, и притом  крутые и частые. Маленькая байдарка  прыгает на них как поплавок, а вот о борт большого корабля  волны разбиваются с грохотом, заставляя его корпус дребезжать, то есть испытывать высокочастотную  вибрацию. Чтобы избежать коварства Ладоги, еще при Петре I построили обводной канал, чтобы доставлять грузы в Петербург по тихой воде.

       В питерских холодных и мокрых  краях хлеб, как известно, растет  плохо, и от века пшеницу  везли туда из южных районов  России. Уже в наши времена  соединили Волгу с Ладогой  и Невой большими каналами  и пустили по ним большие  корабли для перевозки зерна.  Зерно насыпалось в огромные  трюмы и ехало в них к  месту назначения. Однако в начале  работы таких больших судов  произошло несколько катастроф:  пересекая Ладогу в осенние  дни, некоторые корабли вдруг  начинали сильно раскачиваться  с борта на борт, а затем  опрокидывались. В чем же дело? Ведь теперь любой корабль  еще при проектировании детально  рассчитывается, чтобы он не мог  потерять устойчивость. Выяснилось, однако, что проектировщики при  расчетах предполагали, что зерно  в трюме будет лежать неподвижно, как положено любому сыпучему  материалу, например куче песка.  За счет чего обеспечивается  эта неподвижность? Да за счет  все того же сухого трения, сцепляющего между собой песчинки  или зерна. Это верно, но  при отсутствии высокочастотных  вибраций! А эти вибрации превратили  сыпучий материал почти в жидкий. Зерно в трюме стало колебаться как вода в тазу, наваливаясь на наклонный борт и способствуя переворачиванию. Наверное, каждый, таскавший в руках таз с водой, помнит, как трудно удержать его в горизонтальном положении.

       Конечно, как только эффект  был понят, нашлись и достаточно  простые инженерные решения, чтобы  преодолеть неприятные последствия:  как и в тех судах, которые  возят реальные жидкости, трюм  был разделен на отсеки, не  позволявшие всему ожиженному грузу наваливаться на один борт. 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 3

3.1  Основы теории коррозии

Термин  коррозия происходит от латинского "corrosio", что означает разъедать, разрушать. Этот термин характеризует как процесс разрушения, так и результат. Среда в которой металл подвергается коррозии (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой. В случае с металлами, говоря об их коррозии, имеют ввиду нежелательный процесс взаимодействия металла со средой. Физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл при коррозии является окисление металла.

     Любой коррозионный процесс является многостадийным:

1) Необходим  подвод коррозионной среды или  отдельных ее компонентов к  поверхности металла. 

2) Взаимодействие  среды с металлом.

3) Полный  или частичный отвод продуктов  от поверхности металла (в объем  жидкости, если среда жидкая).

     Известно  что большинство металлов ( кроме Ag,Pt,Cu,Au) встречаются в природе в ионном состоянии: оксиды, сульфиды, карбонаты и др., называемые обычно руды металлов.

     Ионное  состояние более выгодно, оно  характеризуется более меньшей внутренней энергией. Это заметно при получение металлов из руд и их коррозии. Поглощенная энергия при восстановлении металла из соединений свидетельствует о том , что свободный металл обладает более высокой энергией, чем металлическое соединение. Это приводит к тому, что металл находящийся в контакте с коррозионно-активной средой стремится перейти в энергетически выгодное состояние с меньшим запасом энергии.

     Коррозионный  процесс является самопроизвольным, следовательно G=G-G (G и G относятся к начальному и конечному состоянию соответственно). Если G>G то G<0, т.е. коррозионный процесс возможен; G>0 коррозионный процесс невозможен; G=0 система металл-продукт находится в равновесии. То есть можно сказать, что первопричиной коррозии металла является термодинамическая неустойчивость металлов в заданной среде.

3.2 Классификация коррозионных процессов.  

       По механизму процесса различают  химическую и электрохимическую  коррозию металла. 

     Химическая  коррозия - это взаимодействие металлов с коррозионной средой, при котором  окисляется металл и восстанавливается окислительные компоненты коррозионной среды протекают в одном акте. Так протекает окисление большинства металлов в газовых средах содержащих окислитель (например, окисление в воздухе при повышении температуры)

     Электрохимическая коррозия - это взаимодействие металла  с коррозионной средой, при котором  ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты среды  происходит не водном акте, и их скорости зависят от электродного потенциала металла. По такому процессу протекают, например, взаимодействие металла с  кислотами: эта суммарная реакция  состоит из двух актов:

     По  характеру коррозионного разрушения. Общая или сплошная коррозия при которой коррозирует вся поверхность металла. Она соответственно делится на равномерную (1а), не равномерную (1б) и избирательную (1в), при которой коррозионный процесс распространяется преимущественно по какой-либо структурной составляющей сплава.