Диссертация (1149360), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Однако, как отметили в своей книге В.В. Андронов и В.Ф. Журавлёв [51], книга Пэнлеве вызвала оживлённую дискуссию, а Ф. Клейн указал на несостоятельность критики Пэнлеве, отмечая, что,несмотря на появляющиеся иногда особые обстоятельства, законы Кулона ненаходятся в противоречии с принципами механики, а нуждаются в правильном толковании.Е.А. Болотов в исследовании «О движении плоской фигуры, стеснённой связями с трением» [67, 74] получил в геометрической форме условияотсутствия парадоксов в общем случае движения плоской фигуры, имеющейодну или две точки контакта с шероховатыми кривыми.Чтобы определить однозначно силы трения покоя некоторые авторы,например, И.Г.
Горячева [57] и И.И. Аргатов, Н.Н. Дмитриев [54] уточняюти усложняют исходную постановку, вводя упругость опор, превращая точки контакта в небольшие площадки, в которых решается соответствующаяконтактная задача с трением, так называемый «дискретный контакт».Большой вклад в науку о трении внесли также И.В. Крагельский [71],А.В. Чиченадзе [76], Б.В.
Дерягин [59] и другие.В настоящее время исследования по теории трения можно условно разделить на экспериментальные, проводимые для различных условий контакта,теоретические работы с целью построения математических моделей на основе6экспериментов, а также решение задач динамики систем с трением.Анизотропия тренияДиссертация посвящена изучению поведения динамической системы ссухим трением, состоящей из шероховатой анизотропной поверхности и тонкой эллиптической пластины. Такая система может быть использована в задачах, например, контакта колеса поезда и рельса [36], контакта стопы споверхностью [30], в некоторых всенаправленных роботехнических системах[23].
Кроме того, широко распространённая модель кругового контакта [42]является частным случаем указанной системы.Существует ряд физических и механических причин почему трениемежду взаимодействующими телами может оказаться анизотропным, при котором коэффициенты трения зависят от направления скольжения, или гетерогенным, при котором каждой точке поверхности может соответствоватьотдельный коэффициент трения, и эволюционировать в процессе контакта.Шероховатость поверхности, износ, изменение состояния приповерхностногослоя, в результате самоорганизации молекул, фазовых переходов и другихизменений микроструктуры, пластические деформации — это лишь небольшой список явлений существенно влияющих на фрикционное взаимодействие.Эти физические и механические процессы ведут к эволюции трибологическихсвойств контакта.
Они могут снижать или увеличивать трение и износ материалов.Изучению специфики контактного взаимодействия анизотропных поверхностей посвящено большое количество работ. Наиболее часто работы носят исключительно экспериментальный характер, в них изучаются характеристики конкретных материалов и пар трения. Экспериментальные исследования проводятся на специализированных трибометрических установках.Например, может использоваться установка «pin-on-disk», которая состоит извращающегося диска и тонкого штыря, носовая часть которого может бытьразличной формы и материала для имитации конкретной области контакта.
В таких тестах изучается изменение свойств контактирующих материалов под действием разнообразных нагрузок, исследуется абразионный износи разрушение. Некоторые лаборатории усложняют установку для проведения специфических экспериментов. Например, триботехническая лаборато-7рия NTNU (Норвежский технологический университет) создала установкудля использования в агрессивных средах [41], что позволяет исследовать износ под воздействием комплекса эффектов: нагрузки, обработки поверхностипары трения, коррозии.В институте механики металлополимерных систем им. В.А.
Белого разрабатывается большое количество трибометров для различных условий применения. Например, трибометр для космических испытаний [72] способен работать в вакууме в диапазоне рабочих температур −120.. + 150C o . Универсальный микротрибометр MTU-2K7 позволяет проводить измерения силы трения, коэффициентов трения и оценивать износостойкость испытуемыхматериалов [55].Текстуру поверхности и характер изменения приповерхностного слояизучают с помощью сканирующего туннельного и сканирующего атомносилового микроскопа, которые позволяют «увидеть» структуру поверхностис разрешением от десятков ангстрем и до атомарного уровня [10, 55].В зависимости от масштаба отклонения от макроформы различаютмакроотлонения, волнистость и шероховатость [57]. Математически параметры волнистости и шероховатости, которые определяют микрорельеф поверхности, описываются с помощью таких статистических величин, как среднееарифметическое отклонение профиля от средней линии Wa , Ra для волнистости и шероховатости, соответственно, максимальные отклонения вершинWp , Rp и впадин Wv , Rv .
Такие понятия, как «перекос» и «избыток»(skewness и kurtosis в англоязычной литературе), а также «автокорреляция»также помогают в описании и генерации поверхности с заданными параметрами шероховатости [32].В работе [49] приведён ряд указаний на работы, экспериментально подтверждающие не только трение, зависящее от свойств материала взаимодействующих тел, но и от кинематики скольжения. Микроструктурные и фрикционные изменения в поверхности скольжения в слоисто-решётчатых материалах, таких как графит, дисульфид молибдена, поликристаллы и монокристаллы бериллия вызваны кинематикой процесса.
Микроструктура скользящей поверхности переориентируется в направлении скольжения. Предпочтительные направления (траектории) скольжения могут иметь во многих случаях сложные формы.8A. Zmitrowicz в своих работах [46, 47, 49] даёт довольно подробный обзорэкспериментальных исследований анизотропии трения. С физической точкизрения, анизотропия трения и износа может быть результатом анизотропиии гетерогенности, как самой контактирующей поверхности, так и неоднородности объёма материала, существующей во многих материалах в связи с ихвнутренними характеристиками, например, кристаллы, дерево, многие полимеры имеют не гомогенную структуру, так что механические характеристикимогут существенно различаться в зависимости от направления.Дерево – материал с выраженными анизотропными свойствами, причёмв нём можно различить несколько различных направлений: вдоль и поперёкв плоскости параллельной волокнам, а так же направления в плоскости перпендикулярной росту волокон.
Поскольку дерево на протяжении несколькихстолетий было одним из самых распространённых материалов, использовавшихся в промышленности, неудивительно, что оно фигурирует, как один изматериалов пары в работах Кулона, а также в инженерных справочниках 19века [49]. Трибологические свойства некоторых разновидностей дерева продолжают изучаться и сегодня, например, работа [8] посвящена исследованиюанизотропных свойств бамбукового образца. Три различных абразионных износа были обнаружены в трёх различных направления материала. Измененияповерхности и абразивные частицы исследовались с помощью сканирующеготуннельного микроскопа.Выраженными анизотропными свойствами обладают также кристаллы.
Сначала в кристаллах, таких как кальцит, флюорит, сфалерит, гипс, обнаружили зависимость твёрдости от плоскости и направления в плоскости,причём F. Exner [49] обнаружил также на одной из поверхностей изменениетвёрдости в положительном и отрицательном направлениях. Более поздниеработы посвящены измерению коэффициентов трения, а также исследованию износа в различных плоскостях кристаллов, таких как алмазы [6, 19],мусковит [22], триглицинсульфат [5] и другие.Большое внимание в настоящее время уделяется анизотропным эффектам на наноуровне, в особенности в металлах.
H. Padilla с соавторами встатье[21] описывает особенности поведения нанокристалла Ni-Fe. Показана эволюция контактирующего слоя в зависимости от нагрузки и скорости,приводящая к различным режимам скольжения и, соответственно, разному9износу. P. Dickrell с соавторами в работе [11] провели измерение коэффициентов трения карбоновых нанотрубок и показали, что в случае вертикальноориентированных трубок коэффициент трения много больше, чем у трубокориентированных вдоль плоскости контакта. В работе [40] E. So с соавторамипровели серию экспериментом по изучению анизотропного трения и деформации парилена (разновидность столбчатой плёнки).
Коэффициенты тренияв направлении оси наклона столбцов, против и перпендикулярно оказалисьдовольно большими 0.5 − 1.5 . При скольжении перпендикулярно оси наклона колонок не было обнаружено никаких анизотропных эффектов. Показано, что в двух других направлениях существенна анизотропия, при этом прискольжении вдоль оси наклона колонок глубина контакта и коэффициентытрения оказались существенно больше.Кроме того контактирующие поверхности часто подвергаются специальной механической обработке, создающей направленную шероховатость.C. Yu и Q.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
