• (об эффекте трения)

Предыдущая одноимённая статья заканчивалась предположением о возможной практической пользе полученных в ней выводов в виде углубления понимания того, на что мы смотрим. Так вот, на основе этих выводов прояснилась ситуация, полтора года назад сложившаяся на родном заводе вокруг разработки новых композиционных триботехнических (фрикционных) материалов. Конкретно - вокруг проблемы управления коэффициентом трения на разных режимах торможения.

Всякий инженер знает из курса физики о существовании трения: сила трения, коэффициент трения, безызносное трение, аномально низкое трение и всё такое прочее. Трибология, словом. Да и вообще, разве может существовать весь наш мир без трения? Вы можете себе представить такое? Что, если трение исчезнет в отношении хотя бы одного объекта? Скажем, ваших штанов? Они просто обратятся в мельчайшую пыль у ваших ног слоем в одну молекулу. Без трения как без воды, без которой, как давно известно, "и не туды, и не сюды".

Этот эффект такой привычно-обычный, что его даже не замечают. Даже в последний (вепольный) вариант Указателя физических эффектов не вошёл, хотя в предыдущем издании (Денисов С., Ефимов В., Зубарев В., Кустов В., Обнинск, 1979 г.) был такой эффект. Между тем, есть наука и целая процветающая отрасль промышленности, зарабатывающая на производстве деталей трения - всякого рода фрикционных изделий. Но что это такое - трение? Что именно мы наблюдаем, когда смотрим на проявление эффекта трения?

 

Мы твёрдо усвоили с институтских времён, что сила трения зависит только от силы давления и коэффициента трения. Но многолетняя практика разработки фрикционных материалов показала, что площадь соприкосновения трущихся поверхностей и давление всё-таки влияют на коэффициент трения и их стараются сделать настолько большими насколько позволяет конструкция тормозного узла. Для наглядности вот обычный график из тех, что во множестве получают при испытаниях новых триботехнических материалов:

Показанные кривые на графике считаются очень хорошими. Куда чаще при испытаниях экспериментальных композиций получаются непонятные (и неприятные!) скачки. Проблема состоит в том, чтобы добиться превращения плохих кривых линий в хорошие горизонтальные прямые, как оно и положено по теории. Причём при любых скоростях и нагрузках. С минимальным износом. Под дождём. С сохранением прочности.

К сожалению, на практике при использовании дешёвых "самопальных" тормозов частенько бывает так, что в какой-то момент при больших нагрузках, при нагреве, например, до 300°С, коэффициент трения падает вдруг почти до нуля, а затем вновь возрастает до нормы (но не всегда). А пока его температура возрастёт ещё больше и он снова начнёт тормозить, ваша машина направится прямёхонько к ДТП.

Кстати, совершенно непонятно, зачем это люди при покупке новых тормозных колодок выбирают подешевле? Собирают сэкономленные копейки на собственные похороны?

Реальная разработка новых фрикционных материалов представляет собой сплошную эмпирию без даже приблизительных формул. Как следствие, рецептуры фрикционных материалов составляются почти целиком методом проб и ошибок: а что, если добавить того? а если этого?

Одна из вечных проблем технологов - визг тормозов. Обычно он устраняется путём добавления малой части дорогущего химического соединения - трёхсернистой сурьмы. Почему крохи этого химиката превращают противный визг в деликатное шипение, а прочие химикаты - нет? Между тем, каждому специалисту по теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) известно, что с недостатком следует бороться прежде всего путём устранения его причины. Но вопросом о механизме возникновения визга (то есть, происхождения акустических колебаний определённой частоты) технологи обычно не утруждают себя. Вместо этого собирают совещание и задаются другим вопросом: "Ну, что ещё попробуем добавить?"

Экспериментирование происходит сугубо по наитию, без учёта физических механизмов, создающих эффект трения. Чтобы убедиться в этом, достаточно взять сборник материалов любого международного или отечественного сборища специалистов по трибологии. Эти материалы почти сплошь посвящены оценке влияния различных добавок на разные параметры трения. Ярко выраженный метод проб и ошибок. Конечно, хорошо известно, что, например, если добавить графит, то коэффициент трения упадёт, а если металлические частицы - возрастёт теплопроводность. Ну, и ряд других аналогичных эмпирических наблюдений. Скажем, самое слабое место во фрикционном изделии вовсе не фрикционное вещество. Почти все проблемы упираются в материал, скрепляющий между собой частицы фрикционного вещества (барита, скажем, или доломита). Обычно это смола или каучук. Так вот они-то при нагреве и "плывут", увеличивая подвижность фрикционных частиц и снижая тем самым коэффициент и силу трения.

В реальном процессе трения величина коэффициента трения оказывается переменной величиной. Поэтому надо разобраться в том, что собой представляет коэффициент трения, в чём его, так сказать, физический смысл. Ключевым здесь является понимание того, что эффект трения есть форма преобразования кинетической энергии соприкасающихся поверхностей (движущихся относительно друг друга) в иные виды, включая её конечную форму - тепло.

Преобразование энергии всегда заканчивается изменениями физических, химических и механических параметров вещества, поэтому остаётся восстановить энергетическую цепочку процесса его преобразований между начальным и конечным состоянием. Изменение каждого из параметров требует своего процесса.

В итоге этих рассуждений получаем понимание важнейшего обстоятельства: при трении происходит не один процесс, а целый комплекс процессов.

То есть, в согласии с выводами предыдущей статьи, мы имеем дело со средой, в которой происходят разные процессы, определяемые своими индивидуальными "техническими системами", возникающими на общей структуре объекта, с использованием общих элементов. То есть, фрикционное изделие описывается как сложная система. И вот, когда на какой-то из элементов одновременно претендуют разные процессы ("технические системы"), мы говорим о противоречиях.

Теперь понятно, почему не имели успеха попытки описать трение с помощью принятого в классической ТРИЗ представления о "технической системе"? И почему эффекта трения не оказалось в последнем (вепольном) варианте Указателя физических эффектов? А в Указателе Денисова и др. есть такая интересная фраза: "Ввиду зависимости сил трения от многих, порой очень трудно учитываемых факторов, предпочитают пользоваться феноменологической теорией трения, описывающей в основном факты, а не их объяснения". Это примерно то же самое, что объяснять лужу на полу дождём, а не дырявой крышей.

Проблема в том, что нет во фрикционном изделии главной функции: главный производственный процесс и реализующие его элементы не идентифицируются. Понятие "техническая система" оказалось слишком грубым инструментом для построения достоверной модели процессов в реальном объекте, обладающих множеством одновременно реализуемых и существенных взаимодействий с внешней средой. Единичное взаимодействие, описываемое "технической системой" и вепольной структурой, представляет собой всего лишь абстракцию, которой иногда достаточно, иногда (в случае "ложной системы" - нет.

"Сложная система" - тоже абстракция, но потенциально способная куда полнее описать реальный объект. Пока неясно как с помощью понятия "сложная система" построить достаточно полную модель реального объекта. Неясно также как это будет выглядеть в вепольной форме. Эти проблемы ещё предстоит решить.

Справедливости ради следует сказать, что определённые намёки на "сложную систему" можно усмотреть, скажем, в таком классическом инструменте ТРИЗ как Алгоритм решения изобретательских задач АРИЗ-85В. Например, эффект необходимости использования одного и того же элемента разными "техническими системами" проявляется в физическом противоречии (в чём и состоит его физический смысл, простите за невольный каламбур). Так выглядит конкуренция за ресурс, приводящая к дроблению (или разрушению) объект конкуренции - соответствующий элемент структуры, если не получается использовать его поочерёдно.

Ещё один намёк известен под именем "задача-путанка". Так назвали задачи, возникающие на основе как будто ясной и понятной ситуации с техническим противоречием, но в которых, тем не менее, не формулируется идеальный конечный результат из-за необходимости удовлетворения сразу многих требований. Возникновение этих "многих" требований показывает, что за внешней ясностью исходной задачи обычно скрывается много задач, маскируемых (ненамеренно!) специальной терминологией (см. А. Зусман и Б. Злотин "Методические рекомендации по теории решения изобретательских задач", Кишинёв, 1986 г.).

Необходимо отметить, что предлагаемая модель "сложных систем" расходится общепринятой сегодня точкой зрения об иерархичности устройства всего вокруг. Особенно - живых объектов. А из того факта, что для описания иерархично устроенных систем современный математический аппарат не пригоден в принципе, делается (в явное нарушение "бритвы Оккама") вывод о необходимости разработки совершенно нового аппарата. Он получил название "П-одический анализ", так как основан на особом классе чисел - П-одических. Надеются, что новый аппарат выручит. Кстати, аналогичные надежды на него возлагают и в отношении описания событий, происходящих на расстояниях, меньших планковского числа (10^-33см). Там, видите ли, тоже явно не наблюдается иерархичности. Но может иерархичность - это лишь то, что мы видим, а не то, на что мы смотрим? Вот пример из области биологии - симбионты: разве они образуют иерархическую систему? Они существуют вместе.

Вернёмся, однако, к трению. Рассмотрим единичный участок с характерными химическими и физико-механическими показателями, на котором происходит процесс преобразования кинетической энергии при взаимном перемещении соприкасающихся поверхностей. Конечно, можно назвать этот участок оперативной зоной, хотя для случая одновременной реализации нескольких процессов это будет не совсем корректно. С некоторой условностью, исходя из того, что поверхности реальных объектов всегда неровны и даже не плавны (фрактальны), наиболее характерные типы таких участков можно изобразить следующим образом:

Рис. 1	Рис. 2	Рис. 3	Рис. 4

Строго говоря, третьего и четвертого типов участков контакта не существует. Если рассматривать их при достаточно большом увеличении, то увидим, что все они из-за фрактального характера реальных поверхностей переходят в первый и второй типы.

Несложно заметить, что и в самом деле здесь происходит не один процесс, а несколько. В них энергия тратится на следующие изменения материала:

1. Разрушение выступов

2. Разрушение соединения выступа с основой.

3. Разрушение ровной поверхности, которую "вспахивает" выступ другой поверхности (собственно разрушение поверхности и её упругая или пластичная деформация).

4. Пластичное или упругое деформирование выступов

5. Пластичное или упругое деформирование основы, в которую укоренён выступ.

6. Преодоление межмолекулярного взаимодействия (скольжение и вырыв). Взаимодействие возникает и при отсутствии физического контакта - достаточно простого сближения на очень малое расстояние.

Здесь мы видим ни что иное, как известную каждому инженеру защемлённую консоль под ударной нагрузкой. Это переводит вопрос в хорошо знакомые понятия сопромата. Модель будет справедлива даже для моно-материала, так как геометрическая неоднородность его поверхности будет порождать концентрации напряжений. Из-за них моно-материал превращается в квази-композит.

Из картинки видно также, почему сила давления влияет на коэффициент трения: чем она больше, тем большее число выступов входит в зацепление друг с другом. Правда, физический смысл этого коэффициента несколько расплывается.

Часть потерь энергии возникают не на соприкасающихся выступах в силу общей неоднородности материала, а в глубине него. Это хорошо видно на примере абразивных материалов, составленных из собственно абразива в виде зёрен и связующего материала. Зерно абразива становится как бы трансмиссией, преобразовывающей и передающей энергию на другие, менее прочные зоны композитного материала, которые и разрушаются.

Нелишне упомянуть влияние промежуточной среды между поверхностями (смазки, например, или атмосферы). Но не трудно сообразить, что в последнем случае некоторые виды взаимодействия между двумя телами заменяются (а оставшиеся - дополняются) взаимодействием между ними и веществом (что бы оно собой ни представляло) этой самой промежуточной среды. А если между поверхностями появятся продукты их разрушения, то возникнет дополнительный эффект качения, при котором будут происходить те же процессы, но с преобладанием упругой деформации.

Главное же заключается в том, что никакого особого процесса трения не существует, это всего лишь обыденное представление одновременного протекания нескольких физических процессов, вполне нормальных и неплохо изученных в рамках сопромата.

Из сказанного следует, что результирующий коэффициент трения создаётся как функция от суммирования потерь энергии на разрушение (вырыв, срез и скол) находящихся в контакте поверхностей, их упругое и пластичное деформирование, а также на преодоление межмолекулярного взаимодействия, которые определяются для единичного участка.

В свою очередь, расход энергии по всем составляющим будет регулироваться текущим состоянием физико-механических (твёрдость, релаксация…) и химических параметров. То есть, зависеть от давления, температуры и химического состава материалов.

Для сведения: состав исходного пресс-материала - это одно, а получившийся после горячего прессования фрикционный материал - это совсем другое. Вследствие химических процессов полимеризации, вулканизации и других происходит исчезновение (далеко не всегда полное) части исходных веществ (ингредиентов) и образование новых (уже компонентов).

Кроме того, при торможении непрерывно происходит изменение физико-механических и химических параметров. Поглощение энергии сопровождается изменением температуры и (нередко) химического состава. То есть, за счёт инициируемых давлением и температурой химических реакций происходит химическое же изменение исходных веществ. Износ (то есть, разрушение) меняет геометрию соприкасающихся участков.

Всё вместе оказывает обратное влияние на результирующий коэффициент трения. При трении идёт смесь саморегулирующихся процессов с обратной связью, особая форма динамичного гомеостаза. И управлять им учатся на ощупь, методом проб и ошибок.

Чтобы понять, зачем нужен тот или иной ингредиент в рецептуре, надо выявить процессы, в которых он участвует. Но они скрыты и динамичны. Остаётся выяснить, как отражается переход кинетической энергии в иные формы на состоянии этого ингредиента. Кинетическая энергия преобразуется не только в тепло, но и расходуется на разрушение. То есть, на изменение пространственных и (тоже возможно) химических параметров объекта.

Предлагаемая модель трения как комплекса процессов в принципе позволяет рассчитать с помощью статистических методов и сопромата общий коэффициент трения изделия. Статистика задаётся рецептурой, исходной дисперсностью ингредиентов и качеством смешения фрикционного материала. Свой вклад вносит технологический процесс, меняющий параметры и состав исходных ингредиентов пресс-материала. Расчёты делаются для каждого из вариантов изменения материала и их статистического распределения и числа на единицу площади.

Когда все вышеприведённые соображения были представлены заводским специалистам, то их первая реакция была, как водится, скептическая. Затем уязвлённые в своих лучших чувствах к себе технологи ринулись стряхивать пыль с доступных источников. Быстро обнаружилось, что ещё в 1939 г. советским учёным Крагельским И.В. была разработана аналогичная теория, по сию пору не пробившаяся к практикам. Разумеется, Крагельский И.В. разработал её на более широкой фактической базе и изложил куда более научным языком. Особенно, в части расчётов.

Но самое интересное было потом. Признав правильность выводов и даже восприняв их, практики-технологи так и не сумели избавиться от наркотической привязанности к методу проб и ошибок. Смеялись над собой, но не могли остановиться и как заведённые всё равно пытались наобум что-то сделать. Это ведь как в рулетке: "Ну, ещё раз - всё! Ну, самый последний раз!..". Но в выигрыше всегда остаётся хозяйка казино - мадам Энтропия.

Королёв В.А.
14.02.2002 г.