Коэффициент трения

Коэффициент трения — это безразмерная физическая величина, характеризующая сопротивление относительному скольжению двух контактирующих поверхностей: он равен отношению силы трения к нормальной силе, прижимающей эти поверхности друг к другу. В трибологии конструкционных пластиков именно это число определяет, насколько плавно и долго будет работать пара трения «полимер — вал», сколько тепла она выделит и когда потребует обслуживания. Для инженера-практика коэффициент трения — не абстракция из учебника, а входной параметр расчёта узла, который стоит в одном ряду с пределом текучести и допуском на посадку.

Физика процесса

Сила трения при скольжении вычисляется по формуле Fтр=μ⋅N, где μ — коэффициент трения, N — нормальная (прижимающая) сила. Различают два вида коэффициента: статический (μs) — максимальная сила, необходимая для сдвига покоящихся тел, и кинетический (μk) — сопротивление уже движущихся тел. Для большинства конструкционных пластиков разница между μs и μk невелика, однако у PTFE (фторопласта-4) эти значения практически совпадают — что и обусловило его применение в прецизионных узлах, где рывок при трогании недопустим.

При скольжении полимера по стали коэффициент трения определяется двумя составляющими: адгезионной (молекулярное взаимодействие поверхностей) и деформационной (врезание микронеровностей стального вала в относительно мягкий полимер). Именно поэтому шероховатость вала так сильно влияет на итоговое значение: рекомендуемое значение Ra для контрпары полимер — закалённая сталь составляет 0,4–0,8 мкм. При более грубой обработке вал начинает работать как абразив, увеличивая коэффициент трения и ускоряя износ полимерной детали.

Сравнительные значения для конструкционных пластиков

Коэффициент трения по стали (без смазки), основные материалы:

PTFE (фторопласт-4): 0,04–0,10 — рекордно низкий среди твёрдых тел; статический и динамический коэффициенты совпадают
Капролон (ПА-6) исходный: 0,23–0,33
Капролон маслонаполненный: 0,19–0,25 — снижение на 20-40% по сравнению с исходным ПА-6
POM (полиацеталь): 0,20–0,25
ПА-66: 0,15–0,30
Нейлон + MoS₂: 0,10–0,20
Бронза оловянная по закалённой стали: 0,12–0,16 (для сравнения)

Присутствие смазки меняет картину кардинально: для пары полиамид — сталь коэффициент трения снижается на 50–60%, для фторопласта — на 40–60%, для бронзы — до 75%.

Промышленное применение

Коэффициент трения определяет выбор материала для любого узла скольжения — от направляющей конвейера до подшипника мешалки. Там, где металлическая бронзовая втулка с коэффициентом 0,12–0,18 требует постоянной смазки и шприцевания узла, маслонаполненный капролон с коэффициентом 0,19 работает в режиме самосмазывания за счёт встроенного масла, а в пищевом производстве это из требования становится обязательным условием.

Выбор между полиамидом и фторопластом для пары трения часто упирается именно в это число. Фторопласт с коэффициентом 0,04–0,10 незаменим там, где нагрузки умеренные, смазка исключена по технологическим причинам, а плавность хода критична — например, в уплотнительных узлах и поршневых кольцах. Капролон при сопоставимом по стоимости решении выдержит нагрузку в разы большую, но потребует либо смазки, либо применения маслонаполненной или MoS₂-модификации. Параметр PV (произведение удельного давления на скорость скольжения) — производный от коэффициента трения — задаёт допустимый рабочий режим: для полиамида он ограничен 0,3–1,0 МПа·м/с, для бронзы — 1–2 МПа·м/с, а превышение ведёт к перегреву и лавинообразному износу.

Плюсы и минусы применения пластиков в парах трения

У конструкционных полимеров есть очевидные преимущества перед бронзой в трибологических узлах:

Возможность работы без внешней смазки (особенно маслонаполненные и PTFE-модификации)
Низкий вес и коррозионная стойкость — нет риска схватывания «сталь — сталь»
Демпфирование шума и вибрации за счёт вязкоупругих свойств полимера
Коэффициент трения полиамида с ростом температуры может изменяться нелинейно, зачастую снижаясь в определённом диапазоне, что отличается от поведения многих металлов

Ограничения, о которых не принято умалчивать:

Допустимое значение PV у полимеров ниже, чем у бронзы — тяжёлые нагруженные узлы с ударными нагрузками остаются за металлом
Коэффициент трения чувствителен к температуре и влажности: при набухании ПА-6 поверхность контакта меняется, что влечёт рост трения и риск заклинивания
PTFE склонен к хладотекучести под нагрузкой — при значительном давлении деталь деформируется, зазор нарушается, кажущийся низкий коэффициент трения «аннулируется» отказом узла
Шероховатость контрпары критична: незакалённая или плохо обработанная сталь резко увеличивает итоговый коэффициент трения полимерной детали

Совет технолога ООО АВТЭКС

Самая распространённая ошибка при проектировании узлов трения из конструкционных пластиков — ориентироваться на «паспортный» коэффициент трения материала без привязки к реальным условиям пары. Справочное значение 0,23 для ПА-6 — это сухое трение по полированной стали при нормальных условиях. В реальном узле при появлении влаги, масляного тумана или абразивной пыли это число уходит в другую сторону, и не всегда в меньшую. Рекомендуется проектировать с запасом: закладывать в расчёт момента трения и теплоотвода значение коэффициента на 20–30% выше паспортного — с учётом граничного режима при пуске и остановах.

При замене бронзовой втулки на полиамидную или маслонаполненный капролон необходимо пересмотреть требования к валу: твёрдость поверхности вала должна минимум в пять раз превышать твёрдость полимера, а шероховатость Ra — не превышать 0,4–0,8 мкм. Проигнорировать этот пункт означает превратить мягкую полимерную втулку в расходный элемент, который сотрётся раньше, чем подтвердит свои антифрикционные свойства. Там, где смазка по технологическим причинам исключена (пищевая отрасль, фармацевтика), маслонаполненный капролон с коэффициентом трения 0,19 по стали — рациональное решение, позволяющее отказаться от шприцевания узла без потери ресурса.

Вопросы и ответы по теме

Почему у фторопласта коэффициент трения ниже, чем у капролона, но в нагруженных узлах чаще выбирают капролон?

Фторопласт (PTFE) имеет коэффициент трения 0,04–0,10 — в 3–4 раза ниже, чем у капролона. Однако PTFE мягкий и подвержен хладотекучести: под давлением материал «течёт», теряет форму и разрушает посадку. Капролон значительно твёрже, держит нагрузку и в маслонаполненном варианте обеспечивает приемлемое трение без деформации детали.