Введение в трибологию

Трибология - (от греч. tribos-трение и logos-наука) – наука о трении. Триботехника - техническое применение трибологии.

Трение - комплекс явлений в зоне контакта поверхностей двух перемещающихся относительно друг друга тел. Мерой трения является сопротивление трения (сила трения).

Последствия трения Негативные Изнашивание в местах трения Возникновение вибраций, поломок, аварий Потеря энергии Перегрев механизмов Позитивные При работе ременных, механических передач При сцеплении колесного транспорта с основанием (дорога рельсы) При соединении деталей Потери на трение составляют до 30% потребляемой в мире энергии

Основные этапы развития трибологии Вторая половина XV века Леонардо да Винчи – Первые научные изыскания в области трения твердых тел г. – 1765 г. М.В. Ломоносов – сконструировал прибор для исследования сцеплений между частицами тел «долгим стиранием». Разработал теорию изнашивания материалов г. Ш. О. Кулон – сформулировал закон сухого трения (скольжения и качения) г. – 1783 г. Л. Эйлер – вывел зависимости о трении гибкой нерастяжимой нити, перекинутой через шкив, используемые при расчете сил трения в элементах с гибкой связью г г. Д.И. Менделеев - разработал научные основы производства смазочных масел из мазута тяжелых кавказских нефтей г. Н.П.Петров – разработал основы гидродинамической теории смазки г. Б.В. Дерягин – развил представления о молекулярном механизме процессы внешнего трения, предложив свой вариант двучленного закона трения г. А. М. Эртель – разработал основы гидродинамической теории смазки г. Н.Б. Демкин – разработал учение о реальных площадях касания г. Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский – открыли эффект избирательного переноса, использование которого позволяет значительно улучшить фрикционно-износных характеристик некоторых пар трения при граничной смазке г. Б.И. Костецкий и его ученики – в книге «Поверхностная прочность материалов при трении» обобщили работы по изучению процессов трения и поверхностного разрушения и по вопросам образования вторичных структур при трении в условиях граничной смазки.

Основные направления исследований в области трибологии Структурные аспекты разрушения поверхности при трении. Исследования эволюции структуры приповерхностных объемов, приводящей к отделению частиц износа, которые сделают понимание процессов трения более полным. Анализ возможных моделей процесса изнашивания. Чтобы предотвратить поверхностное разрушение при трении, необходимо знать причины отделения частиц износа. Изучение возможности прогнозирования износостойкости по стандартным характеристикам механических свойств и особенно по критериям вязкости разрушения (трещиностойкости).

Виды трения (по типу движения)

Виды трения (по типу взаимодействия)

Основные понятия и законы трения Уравнение Амонтова-Кулона F = µ *N (1), где F – сила трения скольжения; N – нормальное усилие. Коэффициент трения µ - зависит от вида трущихся материалов и качества обработки их поверхностей. Для трения качения: F кач = µ кач *N /r (2), где F кач – сила трения качения; N – нормальное усилие; r – радиус колеса. Обычно µ > µ кач (3). Виды трения: 1)Трение скольжения 2)Трение покоя 3)Трение качения

Молекулярно-механическая теория трения F = F A + F Δ где F A – молекулярная (адгезионная) сила трения, F Δ – механическая (деформационная) сила трения. Классификация видов изнашивания при сухом и граничном трениях (по И.В. Крагельскому). (4),

Изнашивание и его виды Под изнашиванием мы понимается процесс образования различных необратимых изменений в материале деталей и в их защитных покрытиях в результате комплексного воздействия внешней среды и силовых факторов. ГОСТ устанавливает 13 видов изнашивания: Механическое Абразивное Окислительное, коррозия, коррозионно-механическое, фреттинг-коррозия Кавитационное Эрозионное Усталостное Заедание Пластическая деформация и др. Изнашивание характеризуется величиной износа, скоростью и интенсивностью.

Зависимость износа от времени I - приработка; II - установившийся режим; III - катастрофический износ Износ (естественный износ) это результат процесса изнашивания, который проявляется во внешних изменениях детали (форма, размеры, вид) и во внутренних изменениях, связанных со структурой материала детали и ухудшением механических свойств.

Роль смазочного материла при трении Действие смазочного материала, состоящее в уменьшении силы трения и износа называют смазкой. Функции смазочного материала в механизмах современных машин следующие: 1) контроль трения, благодаря разделению движущихся поверхностей; 2) уменьшение износа; 3) температурный контроль, т.к. поглощает и переносит тепло; 4) защита деталей от коррозийного воздействия внешней среды; 5) удаление продуктов износа из зоны трения в фильтры/сепараторы. Более 100 млн. т смазочных материалов ежегодно расходуется в мире. F=µA /h (5), где F – сила трения скольжения, µ - динамическая вязкость смазочного материала, А – площадь поверхности скольжения, - относительная скорость скольжения тел, h - толщина слоя смазочного материала.

Роль смазочного материла при трении I – Граничная смазка II – Смешанный режим III – Гидродинамический режим

Смазка при граничном трении На толщину и прочность граничного слоя масла влияет: химический состав масла и входящих в него присадок, химическая структура деталей (например, баббитовые или алюминиевые вкладыши коленчатого вала), состояние поверхности трения (шлифование или суперфиниширование). Работоспособность граничного слоя масла не зависит от его вязкости, а определяется взаимодействием молекулярной пленки масла с трущейся поверхностью металла. Наличие граничного слоя или пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2-10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

Типы молекулярных пленок масла Адсорбированные Хемосорбированные Имеют физическую природу. Образуются благодаря наличию в смазочных материалах поверхностно - активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. Имеют химическую природу. Образуются благодаря наличию в смазочных материалах соответствующих химических элементов: фосфатов, хлоридов или сульфидов.

Смазка при жидкостном трении Устойчивость смазочного слоя зависит от следующих факторов: конструкции узла трения; скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей; величины и равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; вязкости смазочного материала; площади трущихся поверхностей; величины зазора между трущимися поверхностями; температурного состояния узла трения и др. Сила трения при жидкостном трении зависит только от трения внутренних слоев в смазочном материале, а коэффициент трения в раз меньше, чем при трении без смазки.

Основы гидродинамической теории смазки 1 – слой смазочного материала, 2 – цапфа, 3 – подшипник, r – радиус цапфы, u – окружная скорость цапфы, δ – толщина зазора, - напряжение сдвига от внутреннего трения при сдвиге слоев жидкости Гидродинамическая теория смазки занимается изучением гидравлических явлений, возникающих в смазочном слое при относительном движении двух твердых тел, разделенных этим слоем. Схема вращения цапфы в подшипнике при соосном расположении.

Основы гидродинамической теории смазки (продолжение) Сила трения между цапфой и смазочным материалом F= S=µS·du/dr = 2π r l µ·du/dr, (6) где S=2 π r l - площадь поверхности цапфы. Приняв, что скорость вращения частиц смазочного материала на толщине слоя δ линейно изменяется от u до нуля, можно определить градиент скорости как du/dr = u/δ. Тогда F=2π r l µ·u/δ. (7)

Механизм образования масляного клина в подшипнике скольжения а - двигатель не работает; б - момент пуска двигателя; в - работа двигателя (постоянное вращение коленчатого вала) Минимальная толщина масляного слоя h min зависит от: конструкции подшипника скольжения (наличия упорных буртиков, сальниковых уплотнений и других элементов), абсолютной вязкости масла, скорости перемещения трущихся поверхностей, величины давления на трущиеся поверхности.

ООО «БАЛТЕХ» Россия, , Санкт-Петербург ул. Чугунная, д. 40 Телефон/Факс: (812) е-mail: ООО «Балтех» Россия, г. Санкт-Петербург, , ул. Чугунная, 40 Тел./факс: +7 (812)