К теории трения Текст научной статьи по специальности «Физика»

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2004. № 3

НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 536

К ТЕОРИИ ТРЕНИЯ

© 2004 г. В. Ф. Кукоз, М.П. Христофориди

Известно, что в трибосопряжениях имеют место сложные, многофункциональные процессы взаимодействия локальных микроплощадок контакта твердых тел пары трения и смазывающего вещества этой трибосистемы, сопровождающиеся изменением механического состояния трущихся поверхностей, возникновением определенных физико-химических, электрических и других явлений.

Согласно теории трения, развиваемой И.В. Кра-гельским и его школой, сопротивление относительному перемещению контактирующих тела и контртела складывается из двух каналов диссипации энергии [1].

Первый канал связан с деформационным изменением поверхностных слоев тел, участвующих в относительном перемещении при трении, и, в частности, обусловлен упругим деформированием, пластическим оттеснением материала и износом [2-4].

Второй канал диссипации энергии обусловлен преодолением молекулярного взаимодействия в точках касания твердых тел.

В этой теории обязательным условием внешнего трения считается соблюдение правила положительного градиента механических свойств трущихся тел, согласно которому сдвиговое сопротивление тем больше, чем толще (глубже лежат от поверхности контакта) деформируемые слои. Если потеря энергии при деформации материалов трибосистем явление очевидное, то до настоящего времени дискуссионным остается вопрос о природе аномальнымх сил, приводящих в ряде случаев к сильному сцеплению и его аналогичным проявлениям - схватыванию и заеданию трущихся поверхностей в одних случаях и образованию пленки переноса (к известному явлению безыз-носности (избирательного переноса)) - в других.

Силы адгезии принято делить на два класса.

1. Близкодействующие силы химической адгезии, появляющейся при непосредственном контакте атомов [5].

2. Дальнодействующие силы физической адсорбции, возникающие за счет флуктуации электромагнитного поля и действующие на расстояниях, намного превышающих межатомные, но малых в макроскопическом масштабе. Энергия физической адсорбции (адгезии) составляет примерно 1.. .5 % от химической [1, с. 11]. Причем, если химическая адгезия, возможная только при непосредственном контакте, избирательна, то физическая есть результат взаимодействия большого числа атомов и молекул, а потому может

играть существенную роль в адгезионном взаимодействии твердых тел и смежных фаз любой природы.

К сказанному следует добавить, что непременной особенностью трибосистем независимо от природы как твердых, так и жидких материалов этих систем является наличие электрических зарядов противоположных знаков на смежных фазах. Поэтому при контактировании тел различной природы следует учитывать также возникающую трибоэлектродвижущую силу. Электростатическая теория адгезии, получившая существенное развитие за последние годы ХХ в., основана на учете двойного электрического слоя, возникающего при молекулярном (а точнее, при ионно-атомно-молекулярном) взаимодействии твердых тел [1]. Исследованиями Б.В. Дерягина, Н.А. Кротовой, В. П. Смилги показано, что электростатические силы адгезии больше ван-дер-ваальсовых не только по величине, но и по радиусу действия [7]. Так, по результатам Г.И. Журавлева и Ю.В. Лисицына, плотность зарядов в граничном поверхностном слое контактирующих полированных поверхностей оптических стекол составляет 2-10-6 Кл/м2 [8].

Естественно ожидать, исходя из приведенных экспериментальных фактов, что при относительном перемещении контактирующих тел, реализуемом в трибосистемах, будет происходить соответствующее смещение этих зарядов противоположного знака, которое непременно требует дополнительной (к двум указанным выше каналам диссипации энергии по теории трения И.В. Крагельского) затраты энергии. Эту составляющую затрат энергии можно отнести к третьему каналу - электрическому, а точнее, к электрохимическому, поскольку под действием градиента электрического потенциала в узле трения наблюдаются физико-химические преобразования веществ и соответствующие изменения состава и строения поверхностных слоев граничащих фаз трибосопряжения, влияя тем самым и на абсолютные значения других каналов диссипации энергии.

Ограниченность представлений о двухканальной диссипации энергии в трибосистемах подтверждается экспериментальным фактом зависимости усталостной прочности металлов от скорости трещинообразования [9].

Таким образом, теория трения будет более корректной и полной, если представление о двойственной молекулярно-адгезионной и механически-деформационной природе трения и двух каналов диссипации

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ.2004. № 3

энергии расширить, включив дополнительно третью природу и канал диссипации энергии - электрохимическую.

Литература

1. Колесников В.И. Трибофизические процессы в металло-полимерных трибосистемах. М., 2003.

2. Крагельский И.В. Износ как результат повторной деформации поверхностных слоев // Изв. Сев.-Кавк. края. Сер. физ. 1958. № 5. С. 119-127.

3. Марченко Е.А., Непомнящий Е.Ф., Харач Г.М. Цикличе-

ский характер накопления искажений 2-го рода в поверхностном слое как физическое подтверждение усталостной природы износа // Докл. АН СССР. 1968. Т. 181. № 5. С. 1103-1104.

4. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. М., 1966.

5. Краснов К. С. Молекулы и химическая связь. М., 1984.

6. Дзялошинский И.Е., Лифшиц Е.М., Питаевский Я.П.

Общая теория ван-дер-ваальсовских сил//Успехи физических наук. 1961. Т. 2, 3. Вып. 3. С. 381-422.

7. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твер-

дых тел. М., 1973.

8. Журавлев Г.И., Лисицын Ю.В. Исследование электроадге-

зионных явлений в контактном соединении оптических стекол // Тез. докл. VII Всесоюз. симп. по механоэмиссии и механохимии твердых тел. Ташкент, 1979. С. 43-45.

9. Кукоз Ф.И., Бубликов Е.И., Рыбалов А.М., Коломиец В.В., Смирнов А. С. Способ и устройство изучения закономерностей трещинообразования и усталостной прочности металлов//Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. № 2 С. 111-112.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) 24 февраля 2004 г.

УДК 621.433

ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА ПРИРОДНОГО ГАЗА В БАЛЛОНАХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

© 2004 г. Л.Я. Шкрет, А. М. Бочаров, Е.Л. Спиридонова

Из-за сокращения запасов нефти и по другим причинам повышается количество природного газа, используемого в качестве моторного топлива двигателей различных видов транспорта: автомобилей, судов, тепловозов и других машин. Одновременно продолжается тенденция роста цен на все виды моторного топлива, в том числе сжатый - компримированный природный газ (КПГ). В связи с этим возникает необходимость в его более точном учете как при наполнении газовых баллонов (ГБ), так и при расходовании из них данного топлива в эксплуатационных условиях. Количество отпускаемого КПГ на газонаполнительных станциях измеряется в соответствии с ГОСТ 27577-2000 табличным способом, с помощью газовых счетчиков либо автоматизированной системы учета газа. В эксплуатационных условиях вне наполнительных станций запас КПГ в баллонах оценивается обычно лишь по давлению газа (р) в ГБ. Это оперативное, но зачастую неприемлемое по точности определение фактической массы газа (М) с погрешностью до 20 %.

Как известно, в соответствии с характеристическим уравнением реальных газов масса М зависит не только от суммарной вместимости баллонов V и давления р, но и от коэффициента сжимаемости газа 2, его газовой постоянной Я и температуры Т

M =

pV ZRT

(1)

Лишь при малых давлениях р, близких к атмосферному р0 , КПГ можно считать условно идеальным газом (2 = 1). Большее практическое значение имеют случаи применения повышенных давлений КПГ до максимально допустимого нормативами значения 20 МПа распространенными газовыми двигателями в реальных условиях эксплуатации, когда 2 достигает величины до 0,8.

При использовании формулы (1) возникает вопрос по обоснованию конкретного значения коэффициента 2. На основе опубликованных в технической литературе [1, 2 и др.] данных по исследованию свойств КПГ установлена количественная зависимость Z=f (р/р0) для пределов р/р0 = 1 ■ 200 и температур Т=233 *313 К.

Давление р обычно определяется в эксплуатационных условиях по штатному манометру газобаллонной аппаратуры. Объем V - известная конструктивная величина конкретного транспортного средства. Для КПГ Я = 519 Дж/ (кг х град), температура Т может быть определена специальным прибором с термодатчиком, установленным на ГБ, или приближенно принята равной температуре окружающей среды Т = То.

С помощью зависимости (1) фактические параметры КПГ приводятся к нормальным условиям, в частности, определяется соответствующий полный объем газа Vн в 1 м3. Например, для топливной аппаратуры газодизельного автопоезда КамАЗ- 53208 при полной заправке баллонов КПГ до предельной величины р = 20 МПа определен объем Vн = 119 м3. Зная