Смазывающая жидкость при жидкостном трении способствует снижению коэффициента трения и отводу тепла от трущихся поверхностей.

Сухое трение - трение между поверхностями, не разделенными слоем жидкой смазки. Трение при наличии на поверхности весьма тонкого (до 0,1 мкм) слоя жидкости или адсорбированных паров и капель называют граничным. В этом случае действие пленки сводится только к разделению трущихся поверхностей и ослаблению силы сцепления между ними. При большой толщине смазочного слоя, когда поверхности контртел касаются друг друга лишь выступами шероховатости, трение называется полужидкостным. Распространенные в технике понятия “полусухого трения” и “ограниченного режима смазки” относятся к области (соответственно) полужидкостного и жидкостного трения.

В большинстве случаев при работе механизмов на поверхности контртел адсорбируются влага, пары, газы или имеется микрослой окислов. Поэтому применение к компрессорам определения “без смазки цилиндров” является более точным, чем определение “компрессор сухого трения”. Только при глубоком вакууме и высоких температурах можно считать, что материалы контртел вступают в непосредственный контакт. При температурах и давлениях, характерных для практических условий работы механизмов, в том числе поршневой пары в компрессоре при работе всухую, адсорбированные пары и газы, окисные пленки, а также различные добавки в композиционных материалах играют роль сухой смазки. Таким образом, сухое трение для большинства практических случаев следует рассматривать как взаимодействие трущихся поверхностей с твердыми и газообразными смазками. Именно поэтому, в условиях глубокого вакуума у большинства материалов резко, в несколько раз, вырастает коэффициент трения, и они становятся неработоспособными. По этой же причине некоторые материалы неработоспособны в среде чистых (сухих) газов. Эксперименты, проведенные в космическом пространстве, неопровержимо доказывают явление схватывания сухих трущихся пар в вакууме.

При трении происходит много сложных процессов и явлений. Отметим несколько моментов, представляющих интерес при создании машин сухого трения. При действии приложенной нагрузки касание поверхностей происходит не по геометрической площади, а по микронеровностям. При превышении в месте контакта металлических тел предела текучести одной из контактирующих нар возникает пластическая деформация, которая происходит до тех пор, пока площадь поверхности контакта не окажется достаточной для восприятия нагрузки; при этом в точках контакта образуются мостики холодной сварки. При дальнейшем движении поверхностей происходит срез образовавшихся перемычек по более мягкому металлу. Таким образом, сила трения пропорциональна фактической площади касания, являющейся функцией нагрузки; не зависит от геометрической площади контактирующих поверхностей; зависит от скорости скольжения, но в широком диапазоне скоростей имеет постоянное значение.

Механизм трения пластмасс подобен механизму трения металлов, причем коэффициент трения пластмасс приблизительно равен отношению предела прочности на срез к пределу текучести материала. При сухом трении чистых пластмасс отсутствует слой окисной пленки, служащей сухой смазкой, поэтому параметры трения между пластмассами не зависят от условий эксплуатации (в рабочих пределах).

Коэффициент трения и износостойкость материала не находятся в прямой зависимости: пары трения с низким коэффициентом трения могут обладать большой скоростью износа. Прямая зависимость между коэффициентом трения и износом появляется вблизи критической точки: при заедании, задире и катастрофическом износе коэффициент трения резко возрастает. В пределах широкого интервала степеней чистоты обработки коэффициент трения мало зависит от шероховатости поверхности, гораздо большую роль играет степень очистки поверхностей от мономолекулярного слоя загрязнений.

Коэффициент трения зависит от физико-механических свойств материалов, скорости, температуры и удельного давления. Так как влияние этих факторов взаимосвязано, то изменение одного из них позволяет допустить соответствующее изменение другого без нарушения режима работы пары.

На практике характеристика работы материала в паре, например подшипников сухого трения, определяется параметром pv, т. е. произведением удельного давления на скорость скольжения. При прочих равных условиях предпочтение отдают материалу с более высокой износостойкостью, так как даже при высоком коэффициенте трения и хорошем теплоотводе пара трения в этом случае будет иметь высокий ресурс времени работы.

Приведем характерные примеры различных типов износа, обусловленных различными видами трения.

1. Трение стали по оловянистому сплаву. При срезе образовавшихся местных связей приварки, более слабых чем основной металл, срез проходит по поверхности касания, и износ малозаметен.

2. Трение стали по свинцовому сплаву. Связь прочнее сплава, но слабее стали; происходит “намазывание” пленки сплава на сталь. Скольжение происходит по однородному материалу.

Зависимость интенсивности износа пары трения от продолжительности работы имеет вид кривой, характер которой показан на рис. 4. Здесь можно выделить три области: а - возрастание износа в относительно короткий отрезок времени - область приработки; б - незначительное увеличение интенсивности износа в чеченце длительного времени - рабочая область; в - резкое возрастание износа - область интенсивного (предельного) износа.

Любая пара трения, например поршневое кольцо - цилиндр компрессора, характеризуется временем приработки и продолжительностью работы до допустимого износа. Материалы с хорошей прирабатываемостью, примененные в машине, могут обеспечить незначительное время холостого хода машины в обкатке, т. е. сокращение времени простоя в ремонте. Материалы, у которых рабочая область большая, могут обеспечить значительный межремонтный пробег пары трения.

На режим трения влияют также нагрузки ударного характера, температура рабочей среды и температура в зоне трения. При сухом трении влияние температуры в зоне трения на работу трущихся пар возрастает, так как в этом случае, в отличие от жидкостного трения, отсутствует отвод тепла с охлаждающей жидкостью. При использовании антифрикционных материалов на основе полимеров температура в зоне трения также повышается вследствие низкой их теплопроводности.

При низких и сверхнизких температурах большинство антифрикционных материалов на основе полимеров теряет способность к эластичным деформациям, и характер разрушения их напоминает характер разрушения твердых тел. Прочность их возрастает в несколько раз, а ударостойкость и эластичность падают. Это объясняется влиянием температуры на подвижность цепей полимеров. Способность к проявлению высокоэластических деформаций при низких температурах сохраняет небольшое число полимеров, например такие, как фторопласт-4 и жесткоцепные полимеры - полиимиды, поликарбонаты и некоторые другие.

Большой температурный диапазон деформируемости жесткоцепных полимеров объясняется, по-видимому, тем, что в стеклообразном состоянии при низких температурах они имеют более рыхлую упаковку цепей, чем гибкие, эластичные полимеры. Плотность их при понижении температуры изменяется мало.

При снижении давления прочностные свойства полимеров меняются в меньшей степени, чем при изменении температуры и атмосферном давлении. Однако при глубоком вакууме из антифрикционных материалов и композиций на основе полимеров удаляются растворенные газы, влага, низкомолекулярные примеси, введенные добавки и присадки (стабилизаторы, пластификаторы). Изменение свойств материала зависит от состава и скорости испарения выделяющихся продуктов и процессов старения.

При работе полимера в вакууме процесс термоокислительной деструкции затруднен вследствие отсутствия кислорода; возможно лишь протекание термической деструкции. Удаление влаги и адсорбированных паров не приводит к заметному ухудшению свойств полимеров, однако протекание термической деструкции может резко снизить прочностные показатели полимера, и в первую очередь его ударопрочность и эластичность.

При выборе антифрикционных материалов для пары трения в вакууме необходимо учитывать природу выделяющихся продуктов, так как некоторые из них могут загрязнять поверхности, отлагаясь в рабочих зонах и труднодоступных местах.

Возможности создания узлов и деталей сухого трения на основе подбора материалов в паре трения при определенных условиях были подмечены и использовались издавна. Сначала это были естественные, природные, материалы. С развитием химической промышленности появились синтетические и композиционные материалы, позволившие целенаправленно решать задачи, связанные с применением сухого трения в различных областях техники.

Материалы, применяемые для работы пар в режиме сухого и полусухого трения, можно классифицировать по следующим основным признакам:

по условиям режима трения (сухое трение, ограниченная смазка, работа в вакууме, работа в средах со следами конденсата, работа в среде сухого газа и т. п.);

по принадлежности к определенному классу химических соединений (полиимиды, фенилоны и проч.).

На основании одного из перечисленных признаков трудно представить себе все многообразие выпускаемых промышленностью и разработанных наукой материалов для пар сухого и полусухого трения. Обилие и многообразие материалов в какой-то мере соответствует множеству разнообразных задач осуществления сухого трения в различных механизмах в широком диапазоне параметров. Ни один материал не может полностью удовлетворять все требованиям, предъявляемым к материалам в различных узлах трения: низкий и стабильный коэффициент трения; высокие износостойксть и несущая способность; ударопрочность; повышенные упругость, теплопроводность и теплостойкость; стойкость в коррозионных средах; стабильность размеров в процессе работы, а также при изменении давления, температуры или влажности среды; отсутствие газовыделения при работе в вакууме и в чистых сухих газах и т. п.

Выбор наиболее подходящего материала для определенного узла трения, конкретной машины, данных условий эксплуатации является подчас непростой задачей не только для механика цеха, но и для конструктора, занимающегося вопросами конструирования определенного вида машин. Например, такой распространенный антифрикционный материал, как графит, выпускается в различных видах. При этом графит, предназначенный для изготовления поршневых колец компрессоров, по-разному ведет себя в разных средах, а в среде сухого газа (при относительной влажности, близкой к 0%) и при повышенной влажности газа неработоспособен.