Адгезійно-пружна модель визначення коефіцієнта тертя машинобудівних матеріалів в зв’язку з показниками шорсткості поверхні

Abstract

У статті розглянуто актуальне питання зниження коефіцієнта тертя в умовах сухого контакту між поверхнями машинобудівних деталей шляхом оптимізації параметрів шорсткості. На основі аналізу сучасних досліджень у сфері трибології встановлено, що традиційні підходи, орієнтовані на змазування, не є ефективними або можливими в низці високотехнологічних процесів, таких як вакуумна металізація, нанесення функціональних покриттів тощо. Тому пошук методів зниження тертя в умовах сухого контакту є особливо важливим для підвищення довговічності та енергоефективності елементів технічних систем. Основна увага в роботі приділена створенню математичної моделі, яка враховує як пружні деформації мікронерівностей поверхні, так і адгезійні взаємодії, що виникають у зоні контакту. Для опису згину мікронерівностей застосовано рівняння згину пластини, а для опису контактної взаємодії – класичну модель Герца. У результаті чисельного моделювання показано, що коефіцієнт тертя суттєво залежить від висоти Ra та середнього кроку Sm шорсткості, а також від параметрів матеріалів, що визначають їхню пружність і адгезійну здатність. Виявлено, що зі зміною геометричних параметрів мікронерівностей та властивостей матеріалів коефіцієнт тертя може мати як зростаючий, так і спадний характер. Найбільшу інженерну цінність має виявлення чітко вираженого мінімуму коефіцієнта тертя для певного поєднання параметрів шорсткості та матеріалів. Це відкриває можливості для свідомого проектування технологічних режимів обробки поверхонь з метою досягнення оптимальних характеристик тертя без застосування мастильних матеріалів. У статті наведено графічні залежності, що ілюструють поведінку коефіцієнта тертя в залежності від параметрів поверхні та рівня адгезії. Сформульовані теоретичні висновки можуть бути використані для вибору оптимальних значень шорсткості при конструюванні та виготовленні деталей машин, які працюють у вакуумі, біомедичних пристроях, а також в умовах обмеженого доступу до мастила. Автори також підкреслюють необхідність подальших досліджень для точного визначення коефіцієнтів адгезійної взаємодії (k₁ і k₂), а також уточнення ролі фактичної площі контакту, що може істотно впливати на силу тертя.