Брянск, Брянская область, Россия
УДК 539.621 Трение скольжения
ББК 3 ТЕХНИКА. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Предложена математическая модель, описывающая зависимость коэффициента трения от температуры при фрикционном взаимодействии стального шара с термопластами. Реализована проверка разработанной математической модели посредством обработки экспериментальных данных, полученных при фрикционном взаимодействии ползуна из стали ШХ15 по таким термопластам как полиэтилен низкого и высокого давления, полипропилен, полиформальдегид, полиметилметакрилат, полистирол. Введён ряд новых триботехнических характеристик, которые позволяют более детально охарактеризовать фрикционное взаимодействие в системе «металл-термопласт»
математическая модель, трение, термопласты, температура, фрикционное взаимодействие
Известно, что термопласты относятся к полимерным материалам, которые при температурном воздействии способны обратимо переходить из твёрдого состояния в высокоэластичное, либо вязкотекучее состояние. Термопласты активно используются в качестве материалов триботехнического назначения [1]. При этом давно известно, что из-за высокой температуры, возникающей при трении на поверхности пластиков вследствие плохой их теплопроводности, развиваются физические и химические процессы на фрикционном контакте [2]. Коэффициент трения в случае приращения температуры в зоне трения термопласта с металлом изменяется по сложным зависимостям, для которых в настоящее время ещё не создано соответствующих математических моделей. В связи с этим, в границах данной работы, предлагается новая математическая модель, описывающая закономерности влияния температуры на трение скольжения стали по термопластам.
В работах [3, 4] предложена следующая математическая модель, которая была использована для описания динамики изменения силы трения (во времени):
. (1)
Анализ данных работы [5] позволил предположить, что зависимость коэффициента трения от температуры, может быть представлена в виде (1) при n = 3, причём, при i = 1, параметры x1 = 0 и ѱ1 = 0:
, (2)
где ѱi – резкость изменения коэффициента трения при i‑м качественном изменении состояния фрикционного контакта (ѱi = 0); Сi,1 – эмпирические коэффициенты, характеризующие интенсивность изменения коэффициента трения; Сi,2 – эмпирические коэффициенты, характеризующие уровень повышения или снижения коэффициента трения; Т – температура; Тi – значения температуры, соответствующие максимальной (минимальной) интенсивности изменения коэффициента трения (Т1 = 0).
В работе [5] В.А. Мустафаевым и Ю.Я. Подольским получены важные зависимости коэффициента трения от температуры при фрикционном взаимодействии ползуна из стали ШХ15 по таким термопластам как полиэтилен низкого и высокого давления, полипропилен, полиформальдегид, полиметилметакрилат, полистирол. Условия испытаний: скольжение стальной полусферы по плоскости термопласта со скоростью 0,01 см/c, при нагрузке 10 г в процессе постепенного повышения температуры. Авторами [5] установлены зависимости коэффициента трения от температуры в графическом виде, однако не было найдено их аналитического представления.
В данной работе реализована точная оцифровка графиков из работы [5] и осуществлена аппроксимация выявленных точек с использованием формулы (2).
На рис. 1 показаны точки, полученные при оцифровке графиков [5] для полиэтилена низкого (см. рис. 1, а) и высокого (см. рис. 1, б) давления, и соответствующие графики аппроксимирующих функций.
Рис. 1.
Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры при скольжении стальной сферы по полиэтилену низкого давления (см. рис. 1, а) выражается формулой:
. (3)
Исследование функции (3) показывает, что максимальное значение коэффициента трения составляет 1,127 при температуре приблизительно 125 °С. Интегрирование (3) по всему интервалу от 0 до 200 °С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,45.
Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры при скольжении стальной сферы по полиэтилену высокого давления (см. рис. 1, б) выражается формулой:
. (4)
Исследование функции (4) показывает, что максимальное значение коэффициента трения составляет 0,87 при температуре приблизительно 121 °С. Интегрирование (4) по всему интервалу от 0 до 200 °С и деление полученного результата на длину данного интервала температур также даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,45.
На рис. 2 показаны точки, полученные при оцифровке графиков [5] для полипропилена (см. рис. 2, а) и полиформальдегида (см. рис. 2, б), и соответствующие графики аппроксимирующих функций.
Рис. 2.
Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры при скольжении стальной сферы по полипропилену (см. рис. 2, а) выражается формулой:
. (5)
Исследование функции (5) показывает, что максимальное значение коэффициента трения составляет 1,097 при температуре приблизительно 165,5 °С. Интегрирование (5) по всему интервалу от 0 до 200 °С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,3.
Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры при скольжении стальной сферы по полиформальдегиду (см. рис. 2, б) выражается формулой:
. (6)
Исследование функции (6) показывает, что максимальное значение коэффициента трения составляет 0,99 при температуре приблизительно 181 °С. Интегрирование (6) по всему интервалу от 0 до 200 °С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,33.
На рис. 3 показаны точки, полученные при оцифровке графиков [5] для полиметилметакрилата (см. рис. 3, а) и полистирола (см. рис. 3, б), и соответствующие графики аппроксимирующих функций.
Рис. 3.
Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры при скольжении стальной сферы по полиметилметакрилату (см. рис. 3, а) выражается формулой:
. (7)
Исследование функции (7) показывает, что максимальное значение коэффициента трения составляет 1,09 при температуре приблизительно 180 °С. Интегрирование (7) по всему интервалу от 0 до 200°С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,8.
Аналитически, зависимость коэффициента трения от температуры при скольжении стальной сферы по полистиролу (см. рис. 3, б) выражается формулой:
. (8)
Исследование функции (8) показывает, что максимальное значение коэффициента трения составляет 1,157 при температуре приблизительно 148 °С. Интегрирование (8) по всему интервалу от 0 до 200 °С и деление полученного результата на длину данного интервала температур даёт среднее значение коэффициента трения, равное 0,739.
Следует отметить, что первые два слагаемых в формулах (3) – (8) описывают линейный участок изменения коэффициента трения, при этом множитель С1,1 представляет собой интенсивность изменения коэффициента трения, а слагаемое С1,2 = fо есть коэффициент трения при 0 °С.
На рис. 4 показан график интенсивности изменения коэффициента трения с ростом температуры для полиэтилена низкого давления.
Рис. 4.
Из рис. 4 видно, что значения температур, стоящие в формуле (3), в знаменателях третьего и четвёртого слагаемого, есть температуры, соответствующие максимальной и минимальной интенсивности изменения коэффициента трения. Приведённый характер интенсивности изменения коэффициента трения (см. рис. 4) имеет место для всех рассмотренных термопластов.
Можно предположить, что на участке постоянной интенсивности изменения коэффициента трения реализуется внешнее трение твёрдых тел, на участке роста интенсивности реализуется трение высокоэластичного тела по твёрдому телу, а на участке падения интенсивности полимер переходит в вязкотекучее состояние и реализуется уже процесс внутреннего трения.
В результате проведённого исследования можно сделать следующие выводы:
1. Проведённый анализ экспериментальных результатов показывает справедливость предложенной формулы (2), описывающей зависимость коэффициента трения от температуры при фрикционном взаимодействии стального шара с термопластами.
2. В разработанной математической модели введён ряд новых триботехнических характеристик, которые позволяют более детально охарактеризовать фрикционное взаимодействие в системе «металл-термопласт».
3. Предложенная модель описывает как внешнее, так и внутреннее трение, при этом анализ интенсивности изменения коэффициента трения позволяет выявлять условия изменения состояния термопласта при фрикционном взаимодействии.
1. Сравнительные исследования вязкоупругих и трибологических ха-рактеристик углепластиков на основе теплостойких полимерных связующих / В.Е. Юдин, В.М. Светличный, В.В. Кудрявцев и др. // Вопросы материаловедения. - 2009. - №1 (57). - С. 132 140.
2. Теория трения и износа [Текст]: [Сборник статей] // Акад. наук СССР. Науч. совет по трению и смазкам. - М: Наука, 1965. - 365 с.
3. Бреки, А.Д. Триботехнические характеристики материалов пар трения и смазочных сред в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта: диссертация ... д.т.н.: 05.02.04 / Бреки Александр Джалюльевич; [Место защиты: ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»]. - Санкт-Петербург, 2021. - 378 с.
4. Мустафаев, В.А., Подольский, Ю.Я. Сравнительное исследование трения термопластов в широком диапазоне изменения основных параметров трения / Теория трения и износа [Текст]: [Сборник статей] // Акад. наук СССР. Науч. совет по трению и смазкам. - М: Наука, 1965. - 365 с.
