Категория: Разное

Триботехнические: спасти рядового вкладыша — журнал За рулем

 Комментировать

Содержание

спасти рядового вкладыша — журнал За рулем

Пропало давление масла… Вызывать эвакуатор, цепляться на «галстук» или пытаться доползти до сервиса самому? И могут ли помочь при этом особые снадобья, добавляемые к маслу?

1

Резкое падение давления смертельно опасно и для людей, и для моторов. Конечно, мотор реанимировать намного проще — были бы время и деньги. Но лампочка аварийного давления масла необязательно загорится напротив мастерской — как назло, вспыхнет на захолустной проселочной дорожке. Цивилизация далеко, помощи ждать не приходится… Можно ли предусмотреть в этом сценарии вариант спасения?

АКИ ПОСУХУ!

Задача — помочь автомобилю, лишившемуся моторного масла, проползти как можно дальше. Спекуляций на эту тему, к сожалению, предостаточно — кто-то где-то проезжал с горящей лампочкой чуть ли не тысячи километров. Но нам сейчас не до шуток.

Как долго держатся без масла вазовские «пятерки», мы уже проверяли (ЗР, 2008, № 1). Проводили и стендовые испытания (ЗР, 2009, № 5). Ясно стало одно: двигатели, которые были предварительно обработаны, вели себя не так, как обычные. Скажем сразу: о присадках к маслу речь не идет! Использованные препараты называются иначе: триботехнические составы. Отличие от присадок в том, что эти составы не предназначены для изменения свойств масел (в отличие от обычных присадок): они влияют на состояние и свойства рабочих поверхностей узлов трения двигателя — подшипников коленчатого вала, цилиндров, поршней, поршневых колец.

Но ведь именно эти детали и страдают в случае внезапной потери давления масла в двигателе! Неужели антифрикционные и противозадирные свойства, которыми наделяют узлы трения двигателя эти составы, настолько мощны, что позволят мотору обойтись без масла? Как долго? В каких режимах? Вот это и проверим.

ПЯТЬ ЭЛИКСИРОВ — ШЕСТЬ ЖЕРТВ

Препаратов, которые декларировали резкое повышение износостойкости двигателя (читай: возможность аварийной эксплуатации мотора), набралось пять: российские OSNOVA, «Супротек-Люкс», «Реагент-3000» (он же «Reагент-3000»), «Эконовит» и немецко-российский «НАНО Мотор Refit SET KFZ» (в дальнейшем — Nanoprof).

Теперь о грустном… Для чистоты эксперимента требовалось обеспечить равные условия работы препаратов. Значит, исходное масло, режимы работы и, главное, исходное состояние моторов должны быть одинаковыми. А как это обеспечить? Ведь, по условиям испытаний, моторы в итоге должны умереть! Итак, шесть моторов — пять после обработки и один чистый, безо всяких препаратов, в качестве контрольного. Жаба душит, но надо!

Идентичные вазовские полуторалитровые двигатели, прошедшие капиталку на первый ремонтный размер. Все детали — одних и тех же фирм и даже из одних партий поставки. Ритуальные жертвы готовы, начинаем пляски вокруг стенда.

РИТУАЛ ЗАКЛАНИЯ

Хмурые жрецы в спецовках по одному тащили упирающиеся моторы на стенд. Сначала контрольный, он послужит точкой отсчета. Но ведь мотор свеженький, после ремонта, негуманно сразу его убивать. Проведем двадцатичасовой цикл обкатки — как доктор с АВТОВАЗа прописал: начиная с холостых и заканчивая приличными нагрузками. Через два часа после старта сняли начальные характеристики, после двадцати часов работы — итоговые. Заодно оценили, насколько влияет обкатка на мощность и расход топлива. Это тоже интересная информация.

Потом, под бубны шаманов, началось убийство. Двигатель прогрели, остановили, слили масло, а потом пустили снова. Постепенно увеличиваем обороты. 800 об/мин — три минуты выдержки в режиме, давление масла — ноль, полет нормальный. 1500 об/мин — три минуты, полет нормальный… 2000 об/мин — три минуты выдержки, из мотора наконец послышались какие-то неприличные звуки… 2500 об/мин — сорок секунд, и мотор умирая, глохнет. Жрецы зазвенели ключами — жертва вскрыта. Причина смерти — задир среднего коренного подшипника с проворотом вкладышей.

Следующие экземпляры подверглись аналогичной пытке. Но после двухчасовой обкатки по тому же циклу, что и контрольный, их обработали препаратами — каждый своим. С точным соблюдением инструкций разработчиков. Где-то они просты — влил и поехал, где-то потребовалось влить две бутылки, поменяв в промежутке масло. «Реагент‑3000» вообще попросил три обработки.

Сравнили характеристики моторов до и после обработки. Так помимо убиения мы получили важную информацию о влиянии составов на качество обкатки моторов. Сразу скажем: все препараты в той или иной степени подняли показатели после обкатки. «Супротек-Люкс» снизил расход топлива примерно на 7%, поднял мощность на 3,5%. «Эконовит» и Nanoprof дали похожие результаты; неплохо выступил «Реагент-3000». Обычная добросовестная обкатка контрольного мотора тоже улучшила его показатели, но куда более скромно. Вот вам пища для размышлений на тему: «Обкатывать или не обкатывать, а если обкатывать, то как?». Сводные результаты — на рисунках.

Впрочем, мы отвлеклись от ритуала…

КОРОЧЕ, ВСЕ УМЕРЛИ

Умирали они по-разному. Контрольный мотор еле дополз до 2500 об/мин, зато все двигатели, обработанные составами, жили аж до 4000! Первым сдался испытуемый, отведавший средства OSNOVA, — без масла его хватило на 21 минуту, из которых две он работал на 4000 об/мин. Следующим погиб движок с «Реагентом-3000»: 34 минуты, из них 16 пришлось на высокие обороты. «Эконовит» и Nanoprof выступили похоже: первый дал двигателю медленно и печально умереть на 42-й минуте пытки, второй — на 40-й. А защиты «Супротек-Люкс» хватило на час работы без масла, из которых 42 минуты мотор крутился на 4000 об/мин!

При вскрытии мы нашли на шейках явные следы перегрева — еще бы! У всех причиной выхода из строя стал проворот шатунного вкладыша. А вот кольца, цилиндры, поршни целы — хоть сразу снова ставь в мотор, заливай масло и поезжай дальше!

Жертвы были явно не напрасны.

8_no_copyright

ДОКТОР РЕКОМЕНДУЕТ?

Вскрытие показало, что обработка препаратами моторам не повредила. Более того, те поверхности деталей, которые притираются в процессе приработки, у контрольного двигателя смотрелись похуже. Да и характеристики моторов после обкатки подтвердили это.

Выходит, применение хороших триботехнических составов (повторяем, не присадок!) мотору на пользу. И в аварийной ситуации защита поверхностей трения, усиливаемая этими составами, способна реально помочь.

Пересчитывать моточасы в километры пробега не стали специально — слишком много случайных факторов. Понятно и то, что в аварийной ситуации не следует выкручивать мотор до предела возможностей защиты. Поэтому, случись описанная выше неприятность, постарайтесь аккуратно, без резких перегазовок (желательно на пустой машине) выползти из леса или куда вас там занесло. Порой так спасают не только мотор — собственную жизнь.

Кстати, совет: мотор лучше не глушить! Сильно разогретые без масляного охлаждения поверхности подшипников при остановке могут схватиться и потом, при пуске, проворот вкладышей неизбежен. Вот тогда без эвакуатора точно не обойдешься.

А лучше не попадать в такую ситуацию, чего вам искренне желаем!

9_no_copyright

ДО ИЛИ ПОСЛЕ? ЗАЛИВАТЬ ИЛИ НЕТ?

Заливать спасительные снадобья, обнаружив под автомобилем масляную лужу, абсолютно бесполезно. Мотор надо обрабатывать только заранее (это достаточно длительная процедура). То есть испытанные средства являются профилактическими, а не реанимационными. А нужно ли вообще пользоваться чем-то подобным? Вопрос скорее политический, нежели технический. Ни один автопроизводитель ничего подобного не рекомендует, та же реакция у производителей масел. Но, повторяем, никакого вреда от современных качественных триботехнических составов мы не заметили, а вот польза от них вполне реальна. Поэтому четкого ответа «да» или «нет» не существует: все зависит от условий эксплуатации и обслуживания машины. Тем, кто колесит на гарантийных авто по городу и автострадам, наверное, незачем перестраховываться. Тому же, кто любит забраться на рыбалку куда подальше, стоит ознакомиться с результатом исследований повнимательнее.

ПО МЕСТАМ

1_no_copyright

2_no_copyright

5_no_copyright

6_no_copyright

7_no_copyright

сущность и основные этапы исследований

Триботехнические испытания являются основным этапом рационального цикла исследований износостойкости изделий. Данные испытания проводятся с целью подбора пар трения и определения их свойств в конкретных эксплуатационных условиях.

Триботехнические испытания

Процессы проектирования и модернизации механизмов связаны с необходимостью прогнозирования работоспособности и срока их службы в конкретных условиях эксплуатации.

Для этого детали узлов подвергаются рациональному циклу испытаний – совокупности натурных и модельных исследований, объединенных в иерархическую структуру.


Одним из основных этапов этого цикла являются триботехнические испытания – опытное определение совместимости пары трения машины в процессе обеспечения контактного взаимодействия ее элементов.

Целью таких испытаний является оценка триботехнических характеристик конструкции при различных внешних воздействиях и окружающих условиях.

Обязательно проводятся триботехнические испытания тех узлов, от износостойкости которых зависит надежность и безопасность функционирования всей установки, а также технико-экономические характеристики.


Этапы триботехнических испытаний

Процесс определения износостойкости материалов начинается в лаборатории и постепенно приближается к реальным условиям эксплуатации механизмов.

Первым этапом исследований является непосредственно подбор образцов, которые будут подвергаться испытаниям. Выбор делается исходя из условий эксплуатации узлов на основе данных о совместимости материалов.

После определения физико-механических характеристик пары трения проводят предварительный подбор смазок для обслуживания механизма, которые могут испытываться совместно с образцами.

Опытное определение границ совместимости деталей и их фрикционной теплостойкости осуществляется с помощью машины трения.


Данная установка обеспечивает плотное прижатие исследуемых элементов. Благодаря блоку нагружения, контролируемому пультом управления, создается необходимая нагрузка. В результате определяется износостойкость материалов в условиях усиленных нагрузок и трения.

Лабораторные испытания должны проводиться с учетом ГОСТов и другой документации, регламентирующей процесс исследования. Только таким образом можно получить достоверные данные о надежности и износостойкости материалов. Многие предприятия, не располагающие необходимым оборудованием для тестирования своих деталей, пользуются услугами Инженерного центра MODENGY, осуществляющего заказные триботехнические исследования.

Если на этапе исследований на машине трения использовались маломасштабные образцы материалов, то следующий процесс – стендовые исследования – предполагает тестирование узлов в условиях лаборатории. Отличительной особенностью данной стадии является то, что испытание проводится на модели, конструкционно повторяющей часть машины, в которой будет эксплуатироваться механизм.


Самый дорогостоящий и длительный процесс – натурные испытания. Он предполагает исследование узлов, успешно прошедших все предыдущие этапы, в реальных условиях эксплуатации.


Последовательное проведение всех этапов триботехнических испытаний позволяет получить полную информацию об особенностях функционирования конкретной пары трения. Эти данные используются при проектировании и совершенствовании механизмов машин.


Триботехника — это… Что такое Триботехника?

  • триботехника — и; ж. Наука, изучающая инженерные проблемы трибологии, решающая ее задачи. Специалист по триботехнике. Достижения триботехники. Специализированные службы триботехники. ◁ Триботехнический, ая, ое. Т. центр. Т ие материалы. Испытание… …   Энциклопедический словарь

  • триботехника — и; ж. см. тж. триботехнический Наука, изучающая инженерные проблемы трибологии, решающая ее задачи. Специалист по триботехнике. Достижения триботехники. Специализированные службы триботехники …   Словарь многих выражений

  • Трибология — (лат. tribos  трение)  наука, раздел физики, занимающаяся исследованием и описанием контактного взаимодействия твёрдых деформируемых тел при их относительном перемещении. Областью трибологических исследований являются процессы… …   Википедия

  • Физико-технический факультет «К» — У этого термина существуют и другие значения, см. Физико технический факультет. Физико технический факультет К Балтийский государственный технический университет «Военмех» Декан Шемелёв Юрий Юрьевич …   Википедия

  • Физико-технический факультет \»К\ — Балтийский государственный технический университет «Военмех» Декан Шемелёв Юрий Юрьевич Место расположения 198005, Санкт Петербург, 1 я Красноармейская ул., д.1 …   Википедия

  • МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ — (от франц. plaquer покрывать), пластичные смазки, масла и смазочно охлаждающие жидкости, в состав к рых входят металлсодержащие присадки (порошки металлов, их оксидов, сплавов, солей, комплексных и др. соединений). Работам по созданию М. с. м.… …   Химическая энциклопедия

  • Южно-Российский государственный технический университет — У этого термина существуют и другие значения, см. НПИ (значения). Южно Российский государственный технический университет (ЮРГТУ (НПИ)) …   Википедия

  • Клименко, Леонид Павлович — Леонид Клименко ректор ЧГУ им. Петра Могилы Начало полномочий: 1996 Дата рождения: 1951 год(1951) Место рождения: Смела (Черкасская область) …   Википедия

  • Клименко Л. П. — Леонид Павлович Клименко ректор НГГУ им. Петра Могилы Начало полномочий: 2002 Дата рождения: 1951 Место рождения …   Википедия

  • Донской политехнический институт — Южно Российский государственный технический университет (ЮРГТУ (НПИ)) Год основания 1907 Ректор …   Википедия

    • Вузовско-академическая лаборатория «Триботехника» им.

    В.Н. Прокопьева

    Основные направления работы лаборатории:

    1. Общие трибологические исследования: моделирование трибосопряжений различных типов, исследование условий и ресурса их работы, получение экспериментальных данных для математического моделирования трибосопряжений и верификации расчетных моделей.
    2. Тестирование смазочных материалов.
    3. Исследования механизмов трения и трибологических свойств смазочных материалов.
    4. Исследование состава адсорбционных слоев, образуемых смазочными материалами на поверхности трибосопряжений; исследование продуктов трибохимических реакций.
    5. Исследования трибологических свойств конструкционных материалов.
    6. Диагностика состояния смазываемых узлов трения
    7. Диагностика состояния и ресурса работы смазочных материалов и рабочих жидкостей в узлах и агрегатах мобильной техники и промышленного оборудования.

    Лаборатория триботехники укомплектована современным оборудованием, позволяющим выполнять исследования в области трибологии и триботехники, соответствующие мировому уровню в данной области.

    В комплект входит следующее оборудование для исследования процессов трения, смазочных и конструкционных материалов трибосопряжений:

    1. Машины трения УМТ 2166 и ИИ 5018, предназначенные для моделирования работы узлов трения различных типов. Конструкция данных машин позволяет исследовать закономерности параметров трения для различных смазочных и конструкционных материалов, а также моделировать конструкцию и параметры разнообразных узлов трения. Кроме того, имеется четырехшариковая машина трения ЧМТ для проведения испытаний по действующиму ГОСТ.

    2. Наиболее современное оборудование для исследования физико-химических параметров смазочных материалов и их изменений в процессе трения.

    Инфракрасный спектрометр-интерферометр Spectro FTIR Q410 Alpha позволяет получать ИК-спектры смазочных материлов с высоким разрешением и имеет программное обеспечение для расшифровки спектров. Прибор позволяет определять содержание функциональных компонентов масел по международным стандартам и изменение состава в ходе экспериментов или эксплуатации.

    Автоматический титратор Titration Excellence T50 M Terminal позволяет с высокой точностью в заданном режиме измерять значение шелочного и кислотного числа и их изменения в результате трибомеханохимических процессов.

    Ротационный вискозиметр Rheotest 4.1N позволяет измерять реологические параметры смазочных материалов в широком интервале температур.

    Аппарат для измерения вязкости жидкостей TANNAS TBS 2100E позволяет измерять вязкость смазочных масел при высоких скоростях сдвига – до 3∙106 с-1 по стандарту SAE J300 и определять неньютоновские параметры жидкостей, обусловленные полимерными загустителями.

    3. Оборудование для исследования процессов изнашивания конструкционных материалов.

    Феррографическая лаборатория T2FM, укомплектованная электронными каталогами частиц износа и поисковой системой, позволяет устанавливать состав частиц износа и механизм изнешивания.

    Анализатор загрязненности жидкостей гранулометрический ГРАН 152 предназначен для определения общего содержания продуктов износа. а также для определения классов чистоты жидкостей.

    Профилограф-профилометр АБРИС предназначен для измерения профиля поверхности трибосопряжений.

    Атомно-абсорбционный спектрометр А2, имеющий как пламенную, так и электротермическую схемы атомизации, позволяет с высокой точностью измерять содержание металлов в смазочных материалах – как входящих в состав присадок, так и продуктов износа конструкционных материалов.

    Такое оборудование, как аппарат TANNAS TBS 2100E и инфракрасный спектрометр Spectro FTIR Q410 Alpha имеется в настоящее время в Российской Федерации в единичных экземплярах и превосходит возможности оборудования российских исследовательских и испытательных лабораторий. В частности, аппарат TANNAS TBS 2100E является наиболее совершенным оборудованием такого рода и, кроме основного назначения, предоставляет возможности для углубленных исследований микрореологических параметров смазочных масел.

     

    Оборудование лаборатории используется при выполни научно-исследовательских работ, грантов Министерства образовании и науки, государственных заданий и научно-конструкторских разработок.

           Российским Фондом Фундаментальных Исследований оказана финансовая поддержка двух научных проектов сотрудников кафедры Автомобильного транспорта по следующим направлениям:

    1. «Моделирование процессов в тонком смазочном слое тяжелонагруженных трибосопряжений в условиях различных режимов трения с учетом реологии смазочного материала и топографии контактирующих поверхностей», проект №16-08-00990, руководитель: доцент Гаврилов К.В.
    1. «Исследование влияния неизотермического течения неньютоновской жидкости в тонком слое, разделяющем движущиеся поверхности, на теплонапряженность и работоспособность трибосопряжения», проект № 16-08-01020, руководитель: проф. Задорожная Е.А.

           По результатам двух лет выполнения проектов разработаны математические модели и методы, позволяющие выполнять расчетный анализ трибосопряжений широкого ряда механизмов и машин на новом качественном уровне. Основные результаты выполненных работ опубликованы в высокорейтинговых периодических изданиях, в т.ч., включенные в международные системы цитирования.

     

    Образовательные программы | Институт машиностроения, материалов и транспорта Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

    Актуальность данной образовательной программы обусловлена тем что, сегодня показано, что примерно 80-90% отказов машин происходит из-за износа узлов деталей машин и механизмов, а также рабочего инструмента. За полный цикл эксплуатации машин, эксплуатационные затраты связанные с их ремонтом в несколько раз превышают затраты на изготовление новых машин. Также значительные расходы обусловлены недооценкой значимости проблем износостойкости и долговечности машин, как на этапе эксплуатации, так и на этапе их конструкторско-технологической разработки.

    Программа нацелена на подготовку научных и научно-педагогических кадров высшей квалификации в области машиностроения, обладающих способностью: использовать современные компьютерные технологии при проведении расчетов и анализе механических приводов и деталей машин триботехнического назначения; обоснованно выбирать триботехнические материалы; проектировать и вести расчеты механических приводов и деталей машин; разрабатывать физические и математические модели трения и изнашивания; обоснованно применять основные положения теории зубчатых зацеплений для повышения надежности при технической эксплуатации проектируемых узлов деталей машин; выбирать способы компьютерного моделирования для проведения расчетов узлов и деталей машин на трение и износостойкость.

    Ключевые особенности:

    Особенностью программы является ее базирование на многолетнем опыте, имеющемся в подразделении по подготовке специалистов-механиков для машиностроения. Вместе с тем образовательная программа предусматривает создание новых машин и механизмов с высокой производительностью, долговечностью и надежностью, технологичностью, низкой материалоемкостью и себестоимостью, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке не только в машиностроении, но и в иных областях.

    Основы триботехники.

    Основы триботехники узлов и деталей машин

    

    Основные понятия триботехники

    Сопряженными или контактирующими называют соприкасающиеся непосредственно или через слой смазочного материала поверхности взаимодействующих деталей.

    Изучением процессов взаимодействия контактирующих поверхностей при их относительном перемещении занимается наука, получившая название триботехника (от греч. tribos — тереть).
    Основная цель этого изучения – нахождение путей снижения трения и изнашивания.

    Известно, что до 90 % машин выходят из строя из-за изнашивания трущихся поверхностей деталей. В машинах существенная часть энергии теряется на преодоление трения (например, в автомобилях – до 50 %).
    Одним из основных понятий триботехники является внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей и сопровождающееся рассеиванием энергии.

    Контакт поверхности деталей имеет вид пятен, обусловленных неровностями этих поверхностей: отклонением формы, волнистостью, шероховатостью. Поэтому фактическая площадь контакта в десятки раз меньше номинальной (геометрической).

    Взаимодействие контактирующих тел характеризуется механическими, теплофизическими, физико-химическими и электромеханическими процессами, сопровождающимися изнашиванием деталей. В результате взаимодействия с окружающей средой трущиеся поверхности деталей покрываются различными окислительными пленками, которые при истирании быстро восстанавливаются. Наличие поверхностных пленок уменьшает силу трения.

    По наличию относительного движения между контактирующими деталями различают:
    трение покоя – трение двух тел при микросмещениях (например, за счет их деформации) до перехода к относительному движению;
    трение движения – трение тел, находящихся в относительном движении.

    Трению покоя присущи фреттинг-коррозия и окислительное изнашивание, которые характерны для деталей соединений машин (соединений с натягом, резьбовые, шлицевые, шпоночные).

    Изнашивание от фреттинг-коррозии происходит в соединениях на небольших постоянно контактирующих поверхностях в условиях их колебательных тангенциальных микролюфтов или упругих деформаций. Циклические микросмещения выступов микронеровностей приводят к их усталости и обламыванию. Оставаясь в зоне контакта и превращаясь в абразивные частицы, они производят микрорезание, образуя мелкие углубления и продукты коррозии в виде порошка от светло- до темно-коричневого цвета.
    Повышение твердости контактирующих поверхностей, увеличение натяга в соединении снижают изнашивание от фреттинг-коррозии.

    При окислительном изнашивании контактирующие детали вступают в химическое взаимодействие с окружающей средой (например, воздухом), что приводит к развитию коррозии и механическому изнашиванию.

    По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения.
    Трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине или направлению, называют трением скольжения. При равенстве скоростей в точках касания по величине и направлению трение движения называют трением качения.

    Такие детали, как диски фрикционных муфт, резьбовая пара скольжения винт-гайка, тормозные колодки и т. д., которые работают в условиях трения скольжения, подвержены контактному схватыванию, водородному и абразивному изнашиванию.

    Водородное изнашивание связано с выделением водорода при трении контактирующих тел и разложении воды, нефтепродуктов или деструкции пластмасс. Присутствие водорода приводит к хрупкости поверхностей контакта деталей, появлению мелких трещин и образованию мелкодисперсного порошка материала.

    ***

    

    Динамические и кинематические составляющие триботехники

    Внешнее трение характеризуется силой трения – силой сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого тела под действием внешней силы. Сила трения направлена по касательной к общей границе между телами.

    Параметрами нагружения сопряженных поверхностей является давление q, приходящееся на единицу площади, а при отсутствии взаимных перемещений – напряжение смятия σсм.

    Основным кинематическим параметром является скорость скольжения v, т. е. скорость движения точки одной из сопряженных поверхностей относительно совпадающей с ней точки другой поверхности.

    Для количественной оценки изнашивания и его результата – износа используют такие показатели, как интенсивность изнашивания и предельный износ.

    Интенсивностью изнашивания J называют отношение толщины слоя h, снятого в результате изнашивания, к пути трения S (перемещение точки, в которой определяется износ, относительно сопряженной поверхности):

    J = h/S.

    Под предельным износом детали или узла понимают такой износ, по достижении которого дальнейшая эксплуатация изделия неэкономична или недопустима.

    Практически безызносные трущиеся пары с малым коэффициентом трения можно получить, реализуя в узле жидкостную смазку или используя явление избирательного переноса.

    При жидкостной смазке поверхности деталей полностью разделены жидким смазочным материалом (слоем масла). Детали непосредственно не касаются друг друга поверхностями и не изнашиваются. Коэффициент трения при этом определяется вязким трением жидкости и мал по величине (f = 0,005). Режим жидкостной смазки реализуют в подшипниках скольжения, например, во вкладышах коленчатого вала двигателей.

    Избирательный перенос – физико-химический процесс образования и автоматического поддержания на поверхности трения защитной металлической пленки, значительно снижающей коэффициент трения и износ.
    Пленкообразующим материалом является, например, медь и ее сплавы (бронза, латунь). Из этих материалов может быть изготовлена одна из деталей пары трения или пленкообразующая присадка смазочного материала, например, медный порошок.

    После первоначального образования на поверхностях деталей защитной пленки устанавливается режим избирательного переноса, т. е. в случае изнашивания или нарушения сплошности пленки происходит автоматическое ее восстановление.

    Явление избирательного переноса успешно используют в узлах трения, работающих в экстремальных условиях: в вакууме, в агрессивных средах химической промышленности.

    В настоящее время триботехнике уделяется большое внимание, так как для многих машин затраты на ремонт в связи с изнашиванием деталей за период их работы в несколько раз превышает стоимость новой машины.

    ***

    Соединения деталей машин и механизмов

    
    Главная страница


    Дистанционное образование

    Специальности

    Учебные дисциплины

    Олимпиады и тесты

    ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ТРЕНИЯ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПТФЭ И УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН | Маркова

    Сосин С. Л., Лоскутова Я.Я. Химия и технология синтетических высокомолекулярных соединений. М.: Изд-во Академия наук СССР, 1961. 816 с.

    Материалы и изделия из ПТФЭ (фторопласта) и его модификаций и композиций // Elmatec. URL: https:// elmatec.ru/t/ftoroplast-i-ego-modifikacii (дата обращения: 21.05.2020).

    Бузник В.М. Фторполимерные материалы: применение в нефтегазовом комплексе. М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009. 31 с.

    Веригин А.Н., Панферов А.А., Емельянов М.В., Незамаев Н.А. Качество смешивания многокомпонентных дисперсных материалов // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2015. № 31 (57). С. 75-83.

    Markova M.A., Petrova P.N. Development of WearResistant Materials Based on Polytetrafluoroethylene and Carbon Fibers of RFURL UVIS-AK-P Brand // Materials Science Forum. 2018. Vol. 945 MSF. Р. 327-332. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.945.327.

    Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Буше Н.А. Основы трибологии. М.: Машиностроение, 2001. 664 с.

    Komvopoulos K., Saka N., Suh N.P. The Mechanism of Friction in Boundary Lubrication // Journal of Tribology. 1985. Vol. 107. No. 4. P. 452-462.

    Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. М.: Физматлит, 2007. 368 с.

    Рогов В.Е. Дисперсные частицы как локальные дефекты в объеме матрицы из политетрафторэтилена и их влияние на износостойкость // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2016. № 4. С. 48-51. DOI: 10.18101/2306-2363-2016-4-48-51.

    Белый В.А., Свириденок А.И., Петроковец Н.И. Трение и износ материалов на основе полимеров. Минск: Наука и техника, 1976. 431 с.

    Смуругов В.А., Биран В.В., Купчинов А.Б. Фрикционный перенос полимеров и его связь с молекулярными процессами в зоне контакта // Трение и износ. 1990. Т. 11. № 3. С. 521-525.

    Lancaster J.K., Play P., Godet M. Third Body Formation and the Wear of PTFE Fibrebased Dry Bearings // Journal of Lubrication Technology. 1980. Vol. 102. No. 2. P. 236-246. DOI: 10.1115/1.3251485.

    Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. M.: Высшая школа, 1971. 264 с.

    Чижевский А.А., Абдуллин И.Ш., Азанова А.А. Особенности ИК-спектроскопии обработанного в газовом разряде льняного материала // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 9. С. 182-184.

    Что такое трибология? Конструкция подшипников и смазка

    Это сильно зависит от приложения. В некоторых случаях требуется низкое трение (например, материалы подшипников), в то время как в других требуется высокое трение (например, тормозные системы). В большинстве случаев основной задачей является минимальный износ материалов. Для многих применений часто требуется определенная золотая середина между низким уровнем трения и хорошими характеристиками износа.

    При планировании экспериментов, описывающих трение и износ, трибологические испытания можно разделить на одну из шести основных категорий, от полевых испытаний в Категории I до испытаний на простейших лабораторных моделях Категории VI.

    Категория I: Полевые испытания проводятся при нормальных рабочих условиях, которые могут включать расширенные рабочие условия. Это приводит к плохой воспроизводимости, но близко к реальным требованиям, с которыми столкнется трибологическая система.

    Категория II: Эксперименты проводятся с полным комплектом оборудования в заводской среде. Эти эксперименты могут дать результаты, близкие к нормальным условиям эксплуатации, и могут проводиться в течение определенного периода времени для воспроизведения расширенных условий эксплуатации при ограничении воздействия на окружающую среду.

    Категория III: Компоненты, подсистемы или узлы испытываются в лаборатории, приближенной к нормальным расширенным условиям эксплуатации, что дает среднюю воспроизводимость

    Категория IV: Лабораторные испытания серийных стандартных компонентов проводятся с использованием уменьшенного в масштабе оборудования испытательной установки.

    Категория V: Эксперименты проводятся на образце с испытательным оборудованием, чтобы обеспечить условия, близкие к нормальным, с отличной воспроизводимостью.

    Категория VI : Стендовые испытания проводятся с использованием простого лабораторного испытательного оборудования.

    Важно помнить, что в категориях с I по III системная структура исходного трибоагрегата остается неизменной, и упрощается только коллективное напряжение. Категории II и III предлагают более воспроизводимые коллективные напряжения, чем категория I. Напротив, в категориях с IV по VI структура системы упрощена с недостатком уменьшения предсказуемости переноса результатов испытаний в сопоставимые практические триботехнические системы.Категории с IV по VI предлагают лучшую метрологию субтрибоконтакта, более низкую стоимость и более жесткие сроки испытаний. 1 Таким образом, с порядком возрастания категорий тестов время теста, а также его стоимость значительно увеличиваются, но также увеличивается переносимость результатов теста.

    Как мы можем применить категории испытаний к подшипнику субтрибосистемы?

    Трибологические испытания подшипниковых материалов можно разделить на четыре основные категории:

    • Описание характеристик продукта, включая категории IV и III, чтобы гарантировать переносимость результатов.
    • Производство / производственный мониторинг, включая категории с VI по IV, с возможной категорией III.
    • Испытания подшипников, проводимые заказчиком, могут включать категории с III по V, имея в виду, что категория V актуальна только в том случае, если испытание может быть адаптировано как можно ближе к применению.
    • Все категории могут использоваться для поддержки дизайнеров материалов, при этом более низкие категории на ранних стадиях разработки для предварительного выбора, а категории с более высокими номерами вступают в игру по мере доступности подкомпонентов и конечного продукта.

    1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010

    Трибология — обзор | Темы ScienceDirect

    2.1 Факторы изучения происхождения трибологического поведения

    Многие объекты в нашей повседневной жизни, включая дом, в котором мы живем, и материалы, которые мы используем (например, зубные щетки, кастрюли и сковороды, холодильники, телевизоры, компьютеры, автомобили , мебель) все подпадают под «зонтик» материалов с покрытием. Аналогичным образом, такие области, как военное применение — например, автомобили, артиллерия и невидимые радары — и аэрокосмическая продукция — например, самолеты, спутники и солнечные панели — все связаны с широким использованием материалов с покрытием. В последнее время в промышленности все шире применяется обработка поверхности и покрытия для контроля трения и износа (Holmberg and Matthews, 1998; Halling, 1986; Achanta et al., 2005; Ahmed et al., 2003; Baek and Khonsari, 2005; Bandorf et al.). др., 2003; Бхушан, Гупта, 1991; Карон и др., 2006; Кавалейро и Хоссон, 2006; Батиста и др., 2002). Это привело и в некоторой степени поддерживалось ростом новой дисциплины, называемой инженерией поверхностей. Поверхность имеет доминирующее влияние на стоимость срока службы и производительность, в том числе на ремонтопригодность оборудования. Поверхность также может иметь другие функционально важные атрибуты, не ограниченные механическими или химическими свойствами, такие как тепловые, электронные, магнитные и оптические характеристики, которые влияют на выбор материала поверхности. Очевидно, что сохранение этих физических свойств поверхности необходимо на протяжении всего срока службы продукта. Это еще одна причина, по которой повышение долговечности поверхности за счет правильного выбора покрытия имеет решающее значение для эффективности любого продукта и, следовательно, его продажности. Как и все продукты, к механическим компонентам и инструментам сегодня предъявляются более высокие требования к производительности (таблица 2.1). Развитие фундаментального понимания поведения контактирующих поверхностей обеспечит теоретическую основу для предсказания желаемых свойств поверхностей.

    Таблица 2.1. Новые задачи

    Новые методы нанесения покрытий и обработки с новыми характеристиками и трибохимическими свойствами
    Признание важности затрат на весь срок службы и производительности
    Повышенные требования к производительности
    Различные требования к поверхностным и сыпучим материалам
    Магнитная накопительная система
    Микроэлектромеханическая система
    Микро- и наноманипуляции или микро- и наноманипуляции

    Трибологические свойства, такие как трение, износ и смазка, уже считались одними из самых важных важные вопросы в области науки и техники. В действительности изучение трибологии уже превратилось из качественных исследований в количественные, а это означает, что трибология уже стала зрелой дисциплиной. Хотя многие исследователи написали отличные книги по трибологии, большая часть усилий была сосредоточена на анализе макроскопических аспектов, при этом лишь небольшое внимание было уделено богатому взаимодействию, происходящему между атомами и молекулами на соприкасающихся поверхностях, поскольку они исторически были плохо изучены. . Трение — один из старейших предметов исследования, и определение трения — это сопротивление относительному движению или тенденция относительного движения между двумя твердыми телами, когда сила нагрузки действует перпендикулярно контактирующей поверхности.Сила сопротивления, параллельная направлению движения, называется силой трения. Когда два твердых тела скользят друг относительно друга, на границе раздела возникает сила трения, противоположная этому движению. Касательная сила, необходимая для начала скольжения, называется силой статического трения, а тангенциальная сила, необходимая для поддержания скольжения, называется кинетической силой трения. В действительности, во многих ситуациях соблюдаются два основных закона ( Да Винчи — Закон Амонтона ), которые перечислены ниже:

    1.

    Первый закон трения: Первый закон, который также называют законами Amonton , гласит, что сила трения пропорциональна нормальной нагрузке.

    2.

    Второй закон трения: Второй закон гласит, что трение не зависит от видимой площади контакта. Первый закон трения можно выразить следующим образом:

    (2.1) F = μ × N

    здесь μ — коэффициент трения между двумя материалами, составляющими пару трения.Это выражение также подразумевает второй закон трения, согласно которому трение не зависит от видимой площади контакта. Однако эксперименты в условиях небольшой площади контакта показали, что эти эмпирические законы трения не всегда выполняются. Причины могут быть связаны с большим отношением поверхности к объему и большей важностью адгезии, структуры поверхности и химии поверхности на молекулярном / атомном уровне. Происхождение трибологических явлений тесно связано со многими передовыми промышленными применениями, и это также привлекло больше внимания к этой области.

    Магнитная запись — важная технология в ИТ, и ожидается, что в следующем десятилетии она вырастет в пять или более раз. Это достигается за счет относительного движения магнитной головки и магнитной среды. Для высокопроизводительных магнитных запоминающих устройств физический контакт между головкой и лентой во время операций старт-стоп в ленточных накопителях может привести к сильному трению, и движение ленты может не произойти при запуске двигателя ленточного накопителя. Необходимо оптимизировать геометрию и материалы для различных компонентов ленточного тракта, чтобы минимизировать трение в ленточном тракте.Высокое трение повлияет на ускорение во время пусков и остановок или вызовет нестабильность ползуна головки, что приведет к повреждению головки и деформации изгиба ползуна. Высокое трение обычно приводит к чрезмерному локальному нагреву, высокому износу материалов интерфейса и чрезмерному потреблению энергии. Высокое статическое трение на границе раздела головка-диск уже несколько лет является серьезной проблемой для компьютерных дисководов. Исследование происхождения трения в атомарном масштабе может улучшить фундаментальное понимание трибологии и предоставить теоретические рекомендации по минимизации и контролю трения на границе раздела головка-диск.

    Изготовление сложных микро / наноразмерных структур и устройств стало возможным благодаря развитию технологий микро- и нанообработки, таких как литографические методы. Микро / наноэлектромеханические системы (MEMS / NEMS) являются неотъемлемой частью микроэлектронной промышленности. Устройства MEMS / NEMS образуют группу продуктов размером от микрометра до сантиметра, которые сочетают в себе механические и электрические структуры. При миниатюризации любого устройства или системы очень важно иметь хорошее представление о масштабируемых свойствах всей конструкции, материалов и производственных процессов.Масштабируемость, связанная с любым из этих компонентов, может стать серьезным препятствием для достижения адекватных характеристик или экономической целесообразности. Трибологические проблемы, такие как прилипание, трение и износ, вызывают наибольшую озабоченность в связи с нормальной реализацией функций микромасштабных компонентов. Основная задача разработчиков МЭМС — преодолеть эффекты прилипания, когда микроскопические структуры имеют тенденцию слипаться друг с другом при соприкосновении. С ростом сложности устройств необходимо тщательное исследование этого явления, чтобы противодействовать ему.Заедание также является основной причиной отказов во многих приложениях MEMS / NEMS, включая акселерометры, используемые в устройствах с подушками безопасности в автомобилях. Сила трения по-прежнему является ограничивающим фактором для успешной работы и может привести к тому, что части, движущиеся относительно друг друга в MEMS, будут ненадежными. Поскольку размеры устройств измеряются в микрометрах, покрытия или защитные слои на кремнии должны быть толщиной всего в несколько монослоев или нанометров. Фундаментальные исследования трибологических механизмов в таких материалах будут играть важную роль в обеспечении нормального срока службы и реализации функций MEMS / NEMS.

    В то время как макроскопические исследования трибологии могли проводиться веками, исследования фрикционного поведения в наномасштабе стали возможны только в последние 20–30 лет в результате внедрения новых экспериментальных инструментов, таких как сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Хотя первоначальная цель SPM состоит в том, чтобы улучшить способность людей наблюдать явления в микро- и наноразмерных масштабах, она уже была расширена от простого инструмента наблюдения до платформы для манипуляций в микро- и нанометрах, которая используется для перемещения атомов / молекул, в микро- и наномасштабе. сборка конструкций, микро- и наноразмерная обработка и т. д.Классические физические принципы, такие как ньютоновская механика , не подходят для явления в этой области, в то время как квантовая механика и поверхностная сила будут доминировать в этом процессе. Следовательно, трибологическое поведение, связанное с вышеупомянутым механическим динамическим процессом, проявляет особенности, отличные от таковых в макроскопическом масштабе. Отсутствие базового понимания процесса трибологии затрудняет точный контроль рабочих параметров и отрицательно сказывается на воспроизводимости результатов экспериментов.В трибологическом поведении, связанном с SPM, преобладают различные механизмы управления, поскольку рабочие условия попадают в микрометровую или нанометровую шкалу. Понимание происхождения нового феномена трибологии, происходящего в этом масштабе, имеет большое значение для науки и ее применения. Эксперименты с малыми контактами показали, что эти эмпирические законы трения не всегда выполняются. Это может быть связано с большим отношением поверхности к объему и большей важностью адгезии, структуры поверхности и химического состава поверхности.Следовательно, необходимо лучше понять происхождение трения, чтобы научиться его количественно определять и в конечном итоге контролировать. Фактически, изучение происхождения трибологии исходит из двух требований. Во-первых, характер фундаментального научного исследования — изучение основного принципа природного явления; во-вторых, настоящая теория не может дать разумного объяснения связанных с трибологией явлений в микроскопических устройствах / манипуляциях / механической обработке. В макроскопическом масштабе классические законы трибологии могут дать разумное объяснение, а детали морфологии поверхности могут быть оценены с использованием среднего статистического значения.Изменения силы взаимодействия атомов микроскопического масштаба часто можно не учитывать, сравнивая с величиной силы, приводящей к упругой / пластической деформации или напряжению в объемных материалах. Однако изменение силы не может быть исключено, поскольку размер микроскопических деталей приблизительно равен размеру пика (общая площадь контакта в микроскопическом масштабе). Следовательно, механизм управления может сильно отличаться в зависимости от масштаба. Кроме того, количество дефектов в небольшой локальной области очень мало, что делает прочность поверхности / подповерхности выше, чем в общем состоянии, и, таким образом, влияет на трибологическое поведение на границе раздела.

    Рисунок 2.1. Морфология контактной поверхности в различных масштабах.

    В настоящее время твердые покрытия, такие как нитрид титана, карбид титана и оксид алюминия, обычно используются на режущих инструментах в обрабатывающей промышленности. Покрытия из нитрида хрома и дисульфида молибдена используются на металлообрабатывающих инструментах. Для защиты от износа на магнитных запоминающих устройствах, производимых для компьютеров, наносятся очень твердые, но также обладающие низким коэффициентом трения алмазоподобные углеродные покрытия. Оптические линзы производятся с твердыми эрозионно-стойкими тонкими прозрачными покрытиями.Различные покрытия на основе углерода используются на компонентах в автомобильной промышленности для снижения потребления энергии. В некоторых случаях покрытия наносятся в виде многокомпонентных покрытий, многослойных, градиентных слоев, сверхрешеточных структур и дуплексно обработанных поверхностей с использованием различных комбинаций материалов. Хотя покрытия для указанных областей применения уже используются в коммерческих целях, существует множество других, которые все еще находятся на стадии разработки. Покрытия широко используются для контроля трения и износа всех видов контактов.Было достигнуто множество отличных результатов в промышленных приложениях скольжения (Suh, 1986; Arnell, 1990). В наиболее удачных решениях коэффициент трения снижен более чем на порядок, например: путем покрытия стальной поверхности, которая скользит по стальной поверхности, тонким покрытием из дисульфида молибдена или алмазоподобным углеродным покрытием; также на несколько порядков уменьшен износ. В основном результаты были достигнуты методом проб и ошибок, касающихся как выбора материала, так и трибологических параметров покрытия, таких как толщина покрытия, твердость и шероховатость поверхности.Это связано с отсутствием общей теоретической концепции, которая могла бы удовлетворительно описать преобладающие механизмы трения и износа в трибологических процессах с вовлеченными поверхностями с покрытием.

    Таким образом, происхождение трибологического поведения имеет большое значение для развития базового понимания межфазных явлений в небольшом масштабе, а также помогает понять и оптимизировать рабочие условия в технологиях, связанных с нанопокрытием, таких как системы магнитного хранения, МЭМС, микропокрытия. — и нанотехнологии, или микро- и наноманипуляции, и так далее.Компоненты, используемые в микро- и наноразмерных приложениях, очень легкие и работают при очень малых нагрузках. В результате поведение трибологии в нанометровом масштабе с малонагруженными компонентами сильно зависит от взаимодействий на поверхности. В этой главе автор представит несколько примеров исследований контакта, трения, адгезии, царапин, износа и вмятин, а затем предложит некоторые основы трибологии.

    Трибология — обзор | Темы ScienceDirect

    10.2 Износостойкость

    Трибологические свойства наноматериалов подробно не описаны в литературе. Обычно нанослои, полученные при различной обработке поверхности, характеризуются трибологией [3–11]. Анализ влияния измельчения зерна на износ и коэффициент трения нанокристаллических (NC) слоев (Таблица 10.1) показывает, что они в основном демонстрируют более высокую износостойкость по сравнению с микрокристаллическими слоями.

    Таблица 10.1. Трибологические свойства металлов и слоев с ЧПУ по сравнению с крупнозернистыми

    Материал Метод производства Параметры трибологических испытаний: встречный образец / окружающая среда Износостойкость Коэффициент трения
    Слои
    Низкоуглеродистая сталь [3] Механическое истирание поверхности (SMAT) Алмазная игла / сухая ↑ ↓
    Al [4] Магнетронное напыление Стальная оправка / сухая ↑ ↓
    Co [5] Электрохимическое осаждение Стальной шарик / сухой ↑ ↓
    Cu [6] SMAT Стальной шарик / сухой ↑ ↑
    Ni Электрохимическое осаждение Стальной шар / сухой [5] ↑ ↓ 900 76
    Al 2 O 3 поток частиц / сухой и влажный [7] ↑ Пост.
    Стальной шар / сухой [8] Пост. ↓
    Ni [8] Экструзия сдвигом Стальной шарик / фреттинг Нет данных ↓
    Углеродистая сталь [9] Механически-импульсная обработка Стальная вставка / масло с мелкий кварцевый песок ↑ ↓
    Ti и Ti – 6Al – 4V [10] Ультразвуковой метод Si 3 N 4 шарик / сухой (испытание на истирание) ↑ ↓
    Ti [11] SMAT Стальной шарик ↑ ↓
    Сыпучие материалы
    Ti [12] Экструзия на сдвиг Высокочастотный поршневой станок (HFRR) Пост. Конст.
    Ti [13] Равноканальное угловое прессование (ECAP) Стальной шарик / сухой ↑ Пост.
    Ti [14] Обработка с большими деформациями (LSM) Шарик на диске AISI 52100 / сухой ↑ ↑
    Ti [15] ECAP Шарик на диске аналог: WCo8 Нет данных ↓
    Ti [16] ECAP Стальной диск / сухой ↑ Нет данных
    Ti [17] Кручение под высоким давлением (HPT) Шарик из оксида алюминия / PBS ↑ Нет данных
    Ti [18] HE Стальной диск / сухой, NaCl, парафин ↓ Пост.
    Ti [19] HPT Испытание на микротрещины ↑ Пост.
    Cu [20] LSM Стальной шар / сухой ↑ Пост.
    Cu [20] Экструзионная обработка с большой деформацией (LSEM) Стальной штифт / сухой ↑ Нет данных

    На основе модели износа Арчарда увеличение твердости, вызванное Упрочнение границ зерен должно благоприятно сказаться на износостойкости [21].Это выражается уравнением:

    (10.1) Q = KLNH

    где: Q — величина износа, K — коэффициент износа, L — расстояние трения, N — используемое давление, и H — твердость.

    Существенное влияние на трибологический износ, помимо твердости, оказывает шероховатость поверхности [5]. Рельеф поверхности любых слоев НК зависит от условий обработки поверхности. Механизмы износа материалов определяются их кристаллической структурой, фазовым составом и условиями трения.Ван и соавторы [5] оценили влияние размера зерна на износостойкость NC-слоев на подложках Ni и Co с аналогичной твердостью, полученных методом электроосаждения. Было показано, что значение коэффициента трения для Ni снижается с увеличением твердости поверхности, вызванным измельчением зерна. Тем не менее, слои NC на подложке Co характеризовались меньшим коэффициентом трения, чем на подложке Ni. Лучшая износостойкость NC-слоев на Co-подложке была оправдана более высокой адгезионной износостойкостью гексагональных плотноупакованных (ГПУ) металлов по сравнению с гранецентрированным кубическим (ГЦК) Ni.

    Стандартные образцы, учитываемые при оценке трибологических свойств НК-слоев, такие же, но в крупнозернистом состоянии. Обычно анализируется влияние размера зерна на износостойкость, тогда как другие значимые микроструктурные особенности слоев, разработанные методами обработки поверхности, отличающие их от объемных материалов, не учитываются. К ним относятся: форма зерна, однородность микроструктуры (гранулометрический состав) и напряженное состояние, вызванное технологическим процессом.Комплексная оценка влияния наноструктуры материала на его трибологические свойства невозможна без учета всех упомянутых ранее факторов. Определенная износостойкость зависит также от различных дополнительных факторов: используемого метода исследования, свойств материала контробразца и условий испытаний (нагрузка, расстояние трения, температура и окружающая среда). Из-за очень небольшого количества литературных данных об износе объемных материалов с ЧПУ, эта проблема требует более тщательного анализа.

    Исследовано влияние размера зерна на трибологические свойства титана (таблица 10.1). Большинство представленных результатов относится к износостойкости ультрамелкозернистого (УМЗ) титана [12–19]. Исследования титана с НК, полученного гидростатической экструзией (ГЭ), были выполнены на приборе для испытания на износ трением Т-11 в конфигурации штифт-диск [22]. Исследованы НК и микрокристаллический (МК) титан в виде цилиндров диаметром 3 мм. В качестве контробразца использовалась сталь Х17ХН16-2 (твердость поверхности дисков — 5).8 ГПа) [23]. Контактные поверхности предварительно шлифовали — средняя шероховатость R a поверхности титанового образца составила 0,1 мкм. Для сравнения также использовали диски из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE). Испытания на износ проводились при следующих условиях: нормальные нагрузки в диапазоне 2–15 Н (давления 0,28, 0,75 и 2,0 МПа), расстояние трения 540 м и линейная скорость пальца 0,15 м / с. Испытания проводились в условиях сухого трения с добавкой 0.9% водный раствор NaCl или парафиновое масло.

    Проведенные исследования определили изменение значения коэффициента трения ( мкм ), суммарного линейного износа Δ l трибологических пар (сумма потери высоты титанового штифта и глубины пути износа на поверхности диска) и массы потеря Δ м шкворней после полного цикла трения. Контактные поверхности после испытаний на износ трением наблюдали методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) (Hitachi S-3500 N, оборудованный детектором EDS).

    Результаты, полученные для трибологической пары титановый штифт / стальной диск в испытаниях на сухое трение (рис. 10.3), подтвердили низкую износостойкость титана. Ожидаемого улучшения трибологических свойств у NC титана, полученного методом HE, не обнаружено. Напротив, износ титановых штифтов с ЧПУ был выше, чем у МК — во всем диапазоне используемых нагрузок. Аналогичные результаты были получены Будинским [24] для чистого титана и сплава Ti – 6Al – 4V. Это явление можно объяснить на основе анализа механизма износа, возникающего в процессе трения.

    Рис. 10.3. Результаты трибологических исследований в условиях сухого трения с использованием стального диска в качестве встречного образца: (А) потеря веса Δ м , (Б) коэффициент трения мкм.

    Микроскопические наблюдения путей износа подтвердили, что процесс трения между исследуемыми поверхностями связан со следующими явлениями: адгезией, переносом материалов между титановым штифтом и стальным диском, трибохимической реакцией и абразивным износом (рис. 10.4–10.6). Наблюдения за поверхностью титановых штифтов NC показали, что при испытаниях материал «стекает» с контактной поверхности и разрушает сколы (рис.10.4 и 10.5). Во время проведенных испытаний преобладал процесс износа титанового штифта, а его детали выносились на поверхностный диск (рис. 10.6). Трибохимические реакции между контактными поверхностями вызвали образование оксидных слоев, оторванных при испытаниях на износ трением. В результате таких процессов в зоне контакта с поверхностью возникали высокодисперсные продукты жесткого износа, вызывающие абразивный износ поверхности титана. Этот механизм изнашивания подтвержден EDS-анализом фрагментов материала на поверхности титана [22].Уточнение зерна в титане не улучшило его износостойкость в условиях сухого трения. В то время как наличие внутренних напряжений и кристаллических дефектов в НК-титане могло быть причиной интенсификации процессов образования оксидных слоев и склейки поверхностей, что привело к снижению износостойкости исследуемого материала.

    Рис. 10.4. Топография поверхности (SEM) титановых штифтов MC (A, C) и NC (B, D) после процесса сухого трения по сравнению со стальным диском.

    Рис. 10.5. Топография поверхности титановых штифтов NC (A, B) и MC (C, D) после процесса сухого трения по сравнению со стальным диском — (A, C) SEM / SE, (B, D) методы наблюдения SEM / BSE.

    Рис. 10.6. Картирование морфологии и EDS (распределение элементов Ti, Cr и Fe) на поверхности продуктов износа, нанесенных на стальной контр-образец в процессе сухого трения NC (A) и MC (B) титана.

    На основании химического состава продуктов износа титановых штифтов с ЧПУ установлено, что механизм таких процессов трения сложен. Среди продуктов износа мелкие частицы, содержащие Ti и Fe, образуются в результате трибохимических реакций. Обнаружено присутствие множества крупных частиц чистого Ti и отдельных стружек — продуктов процесса микрообработки.Качественной разницы между продуктами износа от процесса сухого трения титана NC и MC не обнаружено.

    Низкая трибологическая износостойкость чистого титана подтверждена литературными данными. Скорость износа, по-видимому, определяется реакциями окисления и деформацией поверхностного слоя во время испытания на износ трением [4,5]. Для титана характерны относительно низкие значения текучести и касательных напряжений, характерные для ГПУ-металлов. При этом значения коэффициента трения довольно большие.

    Во многих публикациях указывается на положительное влияние упрочнения по границам зерен на трибологические свойства металлов [6,7,15]. Кроме того, Ла и соавторы [13] написали о снижении сопротивления трения в сухих условиях для УМЗ-титана, полученного методом РКУП. Обнаружена меньшая скорость фрикционного износа УМЗ-титана, которая объясняется высокой твердостью и прочностью исследуемого материала. Рассматриваемый механизм износа — микрообработка и расслоение — разрыв частиц материала.Поверхность крупнозернистого титана также была подвержена расслоению в тех же условиях испытаний, но основным механизмом износа был абразивный. Следует подчеркнуть, что упомянутые ранее исследования проводились в иных условиях, чем для титана с НК. Испытание на трение «шар по диску» использовалось (вместо «штифт по диску») с использованием твердых (керамических или стальных) шариков и титановых дисков (в качестве образца).

    Площадь контакта между образцом и контробразцом довольно мала, поэтому процессы деформации имеют большее значение, чем типичные процессы трения.Деформационное упрочнение поверхности диска в таких условиях приводит к оправданному повышению износостойкости. Условия процесса трения при использовании метода «палец на диск» существенно отличаются, поскольку площадь контакта между изнашиваемыми поверхностями была намного больше, около 7 мм. 2 . Различия в результатах испытаний указывают на необходимость дальнейших исследований механизмов износа в титане с НК, особенно с точки зрения оценки факторов, ответственных за трибологические свойства.

    Границы | Приближается ли трибология к своему золотому веку? Грандиозные задачи инженерного образования и трибологических исследований

    Невидимая трибология

    Будь то техническое устройство или живое существо — каждая система состоит из связанных частей.Эти соединения различных типов — от простых опор до заклепок, винтов, клеевых соединений, различных типов подшипников, колес и т. Д. — являются предметом науки под названием Трибология . Трибология является неотъемлемой частью любой механической системы, содержащей движущиеся части или суставы, начиная с молекулярных «машин» (в качестве моторных белков в живых клетках) (Dudko et al., 2003) и микро- и наномеханических систем (Bhushan et al., 1995). ) над огромным полем традиционной макроскопической трибологии (Dowson, 1979) вплоть до контактов между тектоническими плитами (Scholz, 2002).Слово «трибология» было введено в 1966 году британской комиссией под руководством Йоста (1966). В отчете Йоста указано, что неправильная смазка и сопутствующие проблемы износа и трения являются основными причинами отказа механических систем. С тех пор было (в некоторой степени) широко признано, что трибология оказывает непосредственное влияние на глобальное потребление энергии, затраты и выбросы — ключевые технологические и горячие политические проблемы современного общества (Holmberg and Erdemir, 2017). И все же, если вы спросите людей на улице, что такое «трибология», большинство из них не сможет связать это слово с каким-либо практическим объектом или проблемой.Как можно примирить огромное значение трибологии с ее относительно низкой социальной и технологической известностью?

    В чем причина низкой видимости трибологии?

    Ответ может заключаться в плохой доступности трибологии для более широкого инженерного сообщества. Научная и техническая видимость и общественное восприятие каждой дисциплины определяется не только ее важностью, но и, в значительной степени, ее доступностью. Таким образом, анализ был почти сакральной наукой только для нескольких «посвященных», пока Лейбниц не изобрел свои интуитивные и практические обозначения (Leibnitz, 1674–1676).Это, казалось бы, «чисто дидактическое» изобретение сделало Анализ доступным буквально для всех — теперь он является частью учебной программы любой средней школы. Доступность предмета тесно связана с его сложностью, а сложность механики и физики интерфейсов общеизвестно высока. Даже поверхностный взгляд на анатомический атлас (Bourgery, 2017) показывает, что основные элементы поддерживающей структуры человеческого тела, кости, несмотря на их сложную внутреннюю структуру, намного проще суставов.Последние обладают поистине впечатляющей архитектурой и очень специализированными свойствами материалов, которые до сих пор не могут быть воспроизведены искусственно (Jin, Dowson, 2013). Неудивительно, что вылечить суставы намного сложнее, чем лечить кости. Конструкционные элементы и их соединения вездесущи во множестве систем — они оба являются общими, неизбежными аспектами любой конструкции. Разница между ними заключается в наличии моделей, используемых для их описания: для изучения основ механики материалов студентам необходимы только навыки анализа одной переменной и простейших обыкновенных дифференциальных уравнений, в то время как простейшая (герцовская) контактная задача формулируется как интегральное уравнение со смешанными граничными условиями.Эта качественная разница в сложности является причиной того, что студенты почти всех инженерных специальностей изучают теорию балок в первом или втором семестре, но получают лишь очень элементарные представления о механике соединений.

    Принесли ли прогресс два столетия с тех пор, как кулоны работали?

    Трибология — это наука о трении, износе и смазке. Первым экспериментальным исследованием трения, которое широко обсуждалось и оказало решающее влияние на последующее развитие науки и техники, по-видимому, являются мемуары Амонтона (1699).Он был первым, кто сформулировал на основе экспериментальных наблюдений «закон трения», который теперь широко известен как «закон Амонтона». В 1781 году Шарль Огюстен де Кулон опубликовал свою замечательную вневременную книгу о трении (см. Доступное позднее издание, Coulomb, 1821), в которой он описал многие свойства сухого трения, которые даже сегодня остаются предметом активных исследований. В частности, он исследовал зависимость коэффициента трения от времени, скорости, нормальной силы, кажущейся площади контакта, влажности и сочетания материалов.Некоторые из его наблюдений — например, явная зависимость коэффициента трения от времени — были поняты только двести лет спустя (Rice and Ruina, 1983; Dieterich and Kilgore, 1994), и многие остаются непонятыми по сей день. Например, Кулон обнаружил, что интенсивность трения при контакте дерева с металлом в зависимости от продолжительности контакта медленно увеличивается и достигает своего пика через 4–5 дней, а иногда и больше. При контакте двух металлов трение ведет себя совершенно по-разному: оно мгновенно достигает стационарного значения.В случае контактного трения между деревом и деревом стационарное трение достигается за несколько минут (Попова, Попов, 2015). Этим наблюдениям более 200 лет, но их начали понимать в микромасштабе совсем недавно (Carpick and Bennewitz, 2014).

    Самым разительным недостатком современного состояния трибологии является то, что мы все еще не можем предсказать коэффициент трения практически в любой паре, а во многих случаях мы даже не совсем понимаем, каковы основные определяющие параметры.Это связано со сложностью физических процессов, определяющих трибологические свойства (Persson, Tosatti, 1996): контактные взаимодействия, адсорбированные слои (Robbins, Krim, 1998; He et al., 1999; Müser et al., 2001), трибохимические реакции, процессы смешения и износа (Scherge et al., 2003), эластогидродинамическая смазка (Ertel, 1939; Hamrock and Dowson, 1977), граничная смазка (Kenausis et al., 2000), плавление при сдвиге (Persson, Popov, 2000), кавитация ( Etsion, 2013; Savio et al., 2016), адгезия (Rabinowicz, 1961), взаимодействие с системной динамикой (Kado et al., 2014; Тейделт, 2015; Милахин, 2016; Wetter, 2016) свойств материала (Khadem et al., 2017) и механики разрушения (Ciavarella et al., 1999) — и это лишь некоторые из них.

    Очевидно, что существует множество сложных трибологических проблем, которые были решены, например, связанные с гидродинамической и эластогидродинамической смазкой. Следует также отметить, что многие трибологические проблемы были решены с практическими решениями — иначе у нас не было бы работающих автомобилей, поездов, самолетов и других современных удобств.Тем не менее, многие такие решения были получены в основном путем проб и ошибок в сочетании с итеративным улучшением. Многие фундаментальные проблемы, особенно связанные с сухой и граничной смазкой, остаются не совсем понятными.

    Настало ли время для «революции» в трибологии?

    Несколько разработок последних десятилетий могут в будущем изменить положение трибологии среди других инженерных наук. Рассмотрим, например, теории гидродинамической и эластогидродинамической смазки (Hamrock and Dowson, 1981), понимание твердых покрытий (Donnet and Erdemir, 2008) и смазочных присадок (Spikes, 2004).

    Далее я хотел бы более подробно остановиться на двух ключевых разработках, касающихся контактной механики.

    Метод граничных элементов на основе БПФ: поиск консенсуса и новых парадигм в трибологии

    Первая из этих разработок — чрезвычайно эффективный метод численного моделирования контакта шероховатых поверхностей. Он известен как метод граничных элементов на основе быстрого преобразования Фурье или FFT-BEM. После многих лет дебатов по основной теории инженерное сообщество создало инструмент, позволяющий напрямую рассчитывать реальные условия контакта.Некоторые модификации этого метода упоминаются в Müser et al. (2017). Наиболее распространенная версия метода граничных элементов на основе БПФ (Putignano et al., 2012) может применяться как к нормальным, так и к касательным контактам с произвольным контактным взаимодействием (Pohrt and Li, 2014), к вязкоупругим телам (Carbone and Putignano, 2013). ; Kusche, 2016) и клеевого (Popov et al., 2017; Rey et al., 2017) контактов. Этот метод недавно стал стандартным методом численного моделирования трибологических контактов как в академических, так и в промышленных исследованиях и разработках и существенно изменил образ мышления и направление дальнейшего развития трибологии.В то время как около 2010 года моделирование контакта с шероховатыми поверхностями с высоким разрешением было доступно только нескольким ведущим группам по всему миру, теперь они могут быть выполнены практически в каждой трибологической группе, соответствующие программы даже предусмотрены для онлайн-моделирования (Tribology Simulator, 2018) .

    Прогресс в дидактике контактной механики после Hertz

    Вторая разработка носит скорее дидактический характер. Он не вносит большого вклада в результаты, полученные за 136 лет после основополагающей работы Герца (1882), а просто представляет их в форме, доступной даже студентам бакалавриата.Это дидактическое изобретение — метод уменьшения размерности (MDR) (Popov and Heß, 2015), который можно рассматривать как переформулировку метода решения для контакта осесимметричных тел, впервые разработанного Шубертом (1942). В литературе метод Шуберта в основном ассоциируется с именем Снеддона из-за широко цитируемой работы Снеддона (Sneddon, 1965). На самом деле этот метод был предложен не только Шубертом, но (позже) также Грином и Зерной (1954), Коллинзом (1959) и Галином (1961), но потребовались десятилетия, прежде чем он стал широко известен и «утвердился», и Снеддон действительно много сделал для рекламы этого решения, включая перевод и издание книги Галина.

    MDR, согласно Барберу (2018), в основном представляет собой переосмысление уравнений Шуберта-Галина-Снеддона с использованием простого контакта с одномерным упругим основанием. MDR обобщает известные решения и представляет их в легко воспроизводимой мнемонической форме. Настоящая добавленная стоимость MDR становится очевидной только при рассмотрении более общих проблем. Из-за теорем, допускающих (точное или приближенное) сокращение задач касательного контакта (Cattaneo, 1938; Mindlin, 1949; Jäger, 1995; Ciavarella, 1998), проблемы вязкоупругого контакта (Radok, 1957) и проблемы контакта с адгезивом (Johnson et al., 1971) до нормального неклейкого контакта, MDR становится очень компактным, универсальным и интуитивно понятным инструментом для понимания и анализа большого разнообразия проблем с контактами. По сути, это своего рода «карманное издание» всех решений по механике контакта точечных контактов, полученных исследователями за последние 136 лет. Этот дидактический инструмент требует только основ анализа для его применения и, таким образом, делает механику контакта доступной широкому инженерному сообществу. Барбер отмечает, что MDR можно сравнить с методом момент-площадь для решения проблем отклонения балки в механике материалов.Оба имеют ограниченные области применения, но достаточно широкие, чтобы их стоило изучить инженерам; оба просты и поучительны. Все основные проблемы механики соединений, такие как нормальный и тангенциальный контакт, напряжения на поверхности и внутри материала, вязкоупругие контакты, адгезия, износ и истирание, влияние формы и градиентов материала (Heß, 2016) на прочность сцепления и износ, а также демпфирование в колеблющихся контактах — этот полный спектр существенных проблем с контактами может быть проанализирован с помощью MDR без использования сложных математических инструментов.Однако интеграция контактной механики в базовые инженерные курсы остается сложной задачей.

    Большой вызов в исследовании трения: «третье тело»

    Поверхности имеют существенно другие свойства по сравнению с массой материалов, и трибологическое нагружение сильно меняет свойства поверхностных слоев. На интерфейсные свойства трибологических контактов могут влиять состав атмосферы, влажность, наличие смазок, адсорбированных слоев и остатков износа.Промежуточное пространство на границе раздела и вокруг него, по существу, определяет трибологические свойства и называется «третьим телом» (Godet, 1990). Несколько преувеличивая, понимание трения означает понимание третьего тела. Влияние третьего тела в широком смысле продемонстрировано на всех уровнях. Таким образом, одним из величайших открытий нанотрибологии была структурная сверхсмазка в контакте с хорошо подготовленными атомно-гладкими поверхностями (Dienwiebel et al., 2004). Однако наличие хлопьев из пластинчатых твердых тел, которые могут свободно вращаться, полностью разрушает эффект сверхсмазки (Филиппов и др., 2008). Подобный эффект может быть вызван также другими примесями на границе раздела, даже отдельными атомами (Müser et al., 2001). В других условиях межфазные процессы необходимы для достижения состояния низкого трения (Li et al., 2011). Перемешивание и модификация поверхности также важны в классической макроскопической трибологии, например, в двигателях внутреннего сгорания, где было показано, что образование химически модифицированного поверхностного слоя является ключом к пониманию трибологических свойств (Scherge et al., 2003).Даже в системах с твердыми покрытиями, где, на первый взгляд, существенную роль должны играть свойства материала, на самом деле имеет значение именно поверхностная модификация этих свойств (Pastewka et al., 2010). То же самое верно и для мезоуровня: изменения поверхности приводят к зависящей от времени кинетике трибологических свойств (Ostermeyer, 2003). Контактная механика шероховатых поверхностей за последние годы достигла огромных успехов, но ее необходимый вход, топография поверхности, не остается статичной в ходе трибологического процесса.Таким образом, один из наиболее ценных и эффективных современных инструментов изучения интерфейса — МГЭ на основе БПФ помогает понять конфигурацию поверхностей с учетом , но не помогает понять его изменения , поскольку он не может описать неупругое поведение и не является способны описывать такие крайне нелинейные процессы, как образование частиц износа и перемешивание материалов. Поэтому поиск новых концепций для описания и понимания третьего тела является насущной потребностью трибологии и одной из ее серьезных проблем.

    Мы надеемся, что сейчас подходящее время для того, чтобы подойти к этой «проблеме третьего тела». На эмпирическом уровне это может быть комбинация неравновесной термодинамики поверхностных слоев, аналогичная структуре, использованной в Bryant et al. (2008) и кинетика образования и изнашивания поверхностных слоев аналогична работам Остермейера и Мюллера (2006). Например, общепризнано, что в смазываемых контактах процесс износа контролируется образованием и износом граничного слоя смазки за счет механохимических реакций присадок с поверхностями.Процесс износа этого пограничного слоя можно описать в общих рамках, предложенных в 1958 г. Rabinowicz (1995) и подтвержденных прямым квазимолекулярным моделированием в Aghababaei et al. (2016). Эта концепция является универсальным и надежным подходом, поскольку в ней говорится, что частицы износа могут появиться, если накопленной упругой энергии достаточно для их образования. Процесс инициирования частиц износа должен завершаться механикой образования частиц износа в зазоре между двумя телами и переносом частиц износа.Последнее можно было бы описать с помощью макроскопической эмпирической модели, подобной Schargott (2009). Обратный процесс осаждения слоя можно описать с использованием классической концепции механически активируемых термических процессов (Spikes, 2018), которая была подтверждена экспериментально также для конкретного процесса аддитивного осаждения (Gosvami et al., 2015). Подробное обсуждение современного состояния трибологии и ее актуальных проблем можно найти в совместном анализе (Vakis et al., 2018). Вышеупомянутые предложения, конечно, являются лишь моей личной попыткой предсказать будущее развитие понимания третьего тела.

    Золотой век трибологии

    Классическая трибология, охватывающая такие области применения, как шарикоподшипники, зубчатые передачи, сцепления, тормоза и т. Д., Была разработана в контексте машиностроения. Но теперь контактная механика и трибология расширяются до качественно новых областей применения, которые находятся в авангарде глобальных тенденций развития технологий и общества, в частности микро- и нанотехнологий (Bhushan, 2017), а также биологии (Gorb, 2009) и медицина (Willert et al., 2005; Патерсон, 2007; Ли и др., 2008). В то же время трибология разработала экспериментальные методы, теоретические концепции и численные инструменты, позволяющие эффективно овладеть, казалось бы, сложной физикой и механикой взаимосвязей. После интенсивных и противоречивых дискуссий в последнее время было предпринято несколько попыток достичь консенсуса в отношении текущего состояния и доступных инструментов трибологии (Müser et al., 2017; Vakis et al., 2018). Эти попытки и быстрое расширение в новые области исследований, такие как нанотехнологии и науки о жизни, вселяют надежду на то, что ближайшие годы станут настоящим золотым веком трибологии.

    Авторские взносы

    Автор подтверждает, что является единственным соавтором данной работы, и одобрил ее к публикации.

    Заявление о конфликте интересов

    Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Благодарности

    Я глубоко признателен рецензенту Питеру Дж. Блау за конструктивную критику и множество ценных предложений.

    Список литературы

    Амонтонс, Г. (1699). De la сопротивления cause’e dans les machines (О сопротивлении и силе в машинах). Mem l’Acedemie R: 257–282.

    Google Scholar

    Барбер, Дж. Р. (2018). Контактная механика. Механика твердого тела и ее приложения. Springer.

    Google Scholar

    Бхушан, Б. (Ред.). (2017). Нанотрибология и наномеханика. Гейдельберг: Springer International.

    Google Scholar

    Бхушан, Б., Исраэлахвили, Дж. Н., Ландман, У. (1995). Нанотрибология: трение, износ и смазка в атомном масштабе. Природа 374, 607–616. DOI: 10.1038 / 374607a0

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Буржери, Дж. М. (2017). Жан Марк Буржери. Атлас анатомии и хирургии человека, 12-е издание . Кельн: Taschen.

    Брайант М., Хонсари М. и Линг Ф. (2008). О термодинамике деградации. Proc. R. Soc. 464, 2001–2014.DOI: 10.1098 / rspa.2007.0371

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Карбоне, Г., Путиньяно, К. (2013). Новая методология прогнозирования трения скольжения и качения вязкоупругих материалов: теория и эксперименты. J. Mech. Phys. Твердые тела 61, 1822–1834. DOI: 10.1016 / j.jmps.2013.03.005

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Каттанео, К. (1938). Sul Contatto di Due Corpi Elastici: Distribuzione Locale Degli Sforzi . Rendiconti dell’Accademia nazionale dei Lincei.27, 342–348, 434–436, 474–478.

    Чаварелла, М. (1998). Обобщенная контактная задача плоскости частичного скольжения Каттанео. Я — Теория. Внутр. J. Solids Struct. 35, 2349–2362. DOI: 10.1016 / s0020-7683 (97) 00154-6

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Чаварелла М., Демелио Г. и Хиллс Д. А. (1999). «Использование почти полных контактов для испытаний на фреттинг-усталость», в Fatigue and Fracture Mechanics: 29th Volume. под ред. Т. Л. Панонтина и С.Д. Шеппард (Западный Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов), 696–709.

    Google Scholar

    Коллинз, В. Д. (1959). О решении некоторых осесимметричных краевых задач с помощью интегральных уравнений, II: дальнейшие задачи для круглого диска и сферической крышки. Математика 6: 120. DOI: 10.1112 / s0025579300002023

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кулон, К. А. (1821). Теория простых машин (Теория простых машин) .Париж: Башелье.

    Google Scholar

    Динвибель, М., Верховен, Г. С., Прадип, Н., Френкен, Дж. У. М., Хаймберг, Дж. А. и Зандберген, Х. У. (2004). Сверхсмазывающая способность графита. Phys. Rev. Lett. 92: 126101. DOI: 10.1103 / Physrevlett.92.126101

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Дитрих, Дж. Х., и Килгор, Б. Д. (1994). Прямое наблюдение фрикционных контактов: новое понимание свойств, зависящих от состояния. Pure Appl.Geophys. 143, 283–302. DOI: 10.1007 / bf00874332

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Доннет К., Эрдемир А. (ред.) (2008). Трибология алмазоподобных углеродных пленок. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Спрингер.

    Google Scholar

    Доусон Д. (1979). История трибологии. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Longman Limited.

    Google Scholar

    Дудко, О.К., Филиппов, А.Е., Клафтер, Дж., И Урбах, М. (2003). За рамками обычного описания динамической силовой спектроскопии адгезионных связей. Proc. Natl. Акад. Sci. США 100, 11378–11381. DOI: 10.1073 / pnas.1534554100

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Эртель, А. М. (1939). Гидродинамическая смазка на новых принципах. Акад. Наук. СССР, Прикладная математика и механика, 3, 41–52

    Google Scholar

    Ецион, И. (2013). Моделирование текстурирования поверхности при гидродинамической смазке. Трение 1, 195–209. DOI: 10.1007 / s40544-013-0018-y

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Филиппов, А.Э., Динвибель, М., Френкен, Дж. У. М., Клафтер, Дж., И Урбах, М. (2008). Крутящий момент и скручивание против суперсмазки. Phys. Rev. Lett. 100: 046102. DOI: 10.1103 / Physrevlett.100.046102

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Галин, Л. А. (1961). Контактные задачи теории упругости . Роли, Северная Каролина: Государственный колледж Северной Каролины.

    Google Scholar

    Горб, С. Н. (Ред.). (2009). Функциональные поверхности в биологии. Springer.

    Google Scholar

    Госвами, Н. Н., Барес, Дж. А., Манголини, Ф., Коничек, А. Р., Яблон, Д. Г., и Карпик, Р. В. (2015). Выявлены механизмы роста противоизносных трибопленок in situ за счет односкатных скользящих контактов. Наука 348, 102–106. DOI: 10.1126 / science.1258788

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Грин А. Э. и Зерна В. (1954). Теоретическая упругость. Оксфорд: Clarendon Press.

    Google Scholar

    Хэмрок, Б. Дж., И Доусон, Д. (1977). Изотермическая эластогидродинамическая смазка точечных контактов: часть iii — полностью заполненные результаты. J. Lubric. Tech. 99, 264. DOI: 10.1115 / 1.3453074

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хэмрок, Б. Дж., И Доусон, Д. (1981). Смазка шарикоподшипников. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley & Sons.

    Google Scholar

    Хе Г., Мюзер М. Х. и Роббинс М. О.(1999). Адсорбированные слои и причина статического трения. Наука 284, 1650–1652.

    PubMed Аннотация | Google Scholar

    Герц, Х. (1882). Über die Berührung fester elastischer Körper. Journal für die reine und angewandte Mathematik 92, 156–171. DOI: 10.1515 / crll.1882.92.156

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хесс, М. (2016). Простой метод решения проблем осесимметричного контакта адгезионных и неклейких материалов с упругой структурой. Внутр. J. Eng. Sci. 104, 20–33. DOI: 10.1016 / j.ijengsci.2016.04.009

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Холмберг, К., Эрдемир, А. (2017). Влияние трибологии на глобальное потребление энергии, затраты и выбросы. Трение 5, 263–284. DOI: 10.1007 / s40544-017-0183-5

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Jäger, J. (1995). Осесимметричные тела из одинакового материала, контактирующие при кручении или сдвиге. Arch. Прил.Мех. 65, 478–487. DOI: 10.1007 / s0041033

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Джонсон К. Л., Кендалл К. и Робертс А. Д. (1971). Поверхностная энергия и контакт упругих тел. Proc. R. Soc. 324, 301–313. DOI: 10.1098 / rspa.1971.0141

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Йост, Х. П. (ред.). (1966). Смазка (трибология) — отчет о текущем состоянии и потребностях отрасли . Департамент образования и науки, HM.Стационарный офис, Лондон.

    Кадо Н., Тадокоро К. и Накано К. (2014). Коэффициент кинетического трения, измеренный при триботехнических испытаниях: влияние фрикционной вибрации. Трибология Интернет 9, 63–70. DOI: 10.2474 / тр. 9.63

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Kenausis, G. L., Vörös, J., Elbert, D. L., Huang, N., Hofer, R., Ruiz-Taylor, L., et al. (2000). Слои поли (l-лизин) -g-поли (этиленгликоля) на поверхностях оксидов металлов: механизм прикрепления и влияние архитектуры полимера на устойчивость к адсорбции белка. J. Phys. Chem. B 104, 3298–3309. DOI: 10.1021 / JP993359m

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Хадем, М., Пенков, О.В., Янг, Х.-К., Ким, Д.-Э. (2017). Трибология многослойных покрытий для снижения износа: обзор. Трение 5, 248–262. DOI: 10.1007 / s40544-017-0181-7

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Куше, С. (2016). Сила трения между осесимметричным индентором и вязкоупругим полупространством. ZAMM 97, 226–239. DOI: 10.1002 / zamm.201500169

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ли, К. С., Ли, Г. Й. Х., Онг, К. Н. и Лим, К. Т. (2008). АСМ-исследование клеток рака груди с вдавливанием. Biochem. Биофиз. Res. Commun. 374, 609–613. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2008.07.078

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Милахин, Н. (2016). Robuste Einflussparameter für Reibung und Oberflächenmodifizierung unter Einfluss von Ultraschall .Кандидат наук. Тезис. Технический университет Берлина.

    Миндлин Р. Д. (1949). Податливость упругих тел при контакте. J. Appl. Мех. 16, 259–268.

    Google Scholar

    Müser, M.H., Dapp, W.B., Bugnicourt, R., Sainsot, P., Lesaffre, N., Lubrecht, T.A., et al. (2017). Решение проблемы контактной механики. Tribol. Lett. 65: 4. DOI: 10.1007 / s11249-017-0900-2

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Мюзер, М. Х., Веннинг, Л., и Роббинс, М. О. (2001). Простая микроскопическая теория законов Амонтона для статического трения. Phys. Rev. Lett. 86, 1295–1298. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.86.1295

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Остермейер, Г. П., и Мюллер, М. (2006). Динамическое взаимодействие трения и рельефа поверхности в тормозных системах. Трибология Int. 39, 370–380. DOI: 10.1016 / j.triboint.2005.04.018

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Патерсон, М.(2007). Чувства прикосновения: тактильные ощущения, аффекты и технологии . Оксфорд: Берг.

    Google Scholar

    Перссон, Б. Н. Дж., И Попов, В. Л. (2000). О происхождении перехода от скольжения к палке. Solid State Commun. 114, 261–266. DOI: 10.1016 / s0038-1098 (00) 00045-4

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Перссон, Б. Н. Дж., И Тосатти, Э. (ред.) (1996). Физика трения скольжения. Гейдельберг: Springer.

    Google Scholar

    Похрт, Р., и Ли, Q. (2014). Полная формулировка граничных элементов для нормальных и касательных контактных задач. Phys. Месомечан. 17, 334–340. DOI: 10.1134 / s1029959914040109

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Попов В. Л., Хесс М. (2015). Метод уменьшения размерности в контактной механике и трении. Берлин: Springer.

    Google Scholar

    Попов В. Л., Похрт Р., Ли К. (2017). Прочность клеевых контактов: влияние геометрии контакта и градиента материала. Трение 5, 308–325. DOI: 10.1007 / s40544-017-0177-3

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Попова Е., Попов В. Л. (2015). Исследования Кулона и Амонтона и обобщенные законы трения. Трение 3, 183–190. DOI: 10.1007 / s40544-015-0074-6

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Путиньяно, К., Афферранте, Л., Карбоне, Г., и Демелио, Г. (2012). Новый эффективный численный метод контактной механики шероховатых поверхностей. Внутр. J. Solids Struct. 49, 338–343. DOI: 10.1016 / j.ijsolstr.2011.10.009

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Rabinowicz, E. (1961). Влияние поверхностной энергии на явления трения и износа. J. Appl. Phys. 32, 1440–1444. DOI: 10.1063 / 1.1728375

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Rabinowicz, E. (1995). Трение и износ материалов. Второе издание . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc.

    Google Scholar

    Радок, Ю.Р. М. (1957). Анализ вязкоупругого напряжения, кварт. Прил. Math 15, 198–202.

    Google Scholar

    Rey, V., Anciaux, G., and Molinari, J.-F. (2017). Нормальный адгезивный контакт на шероховатых поверхностях: эффективный алгоритм БЭМ на основе БПФ, разрешение. Comput Mech. 60, 69–81. DOI: 10.1007 / s00466-017-1392-5

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Райс, Дж. Р., и Руина, А. Л. (1983). Устойчивость к устойчивому фрикционному скольжению. Дж.Прил. Мех. 50: 343. DOI: 10.1115 / 1.3167042

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Роббинс, М. О., Крим, Дж. (1998). Диссипация энергии при межфазном трении. MRS Bull. 23, 23–26. DOI: 10.1557 / s088376940003058x

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Савио Д., Пастевка Л. и Гумбш П. (2016). Граничная смазка неоднородных поверхностей и возникновение кавитации во фрикционных контактах. Sci. Adv. 2: e1501585.DOI: 10.1126 / sciadv.1501585

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Шарготт, М. (2009). Многомасштабный подход к динамическому моделированию топографии поверхности в фрикционных контактах высокого давления: масштабирование моделирования перемычек. Tribol. Lett. 39, 9–17. DOI: 10.1007 / s11249-009-9500-0

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Scherge, M., Shakhvorostov, D., and Pöhlmann, K. (2003). Принципиальный механизм износа металлов. Износ 255, 395–400. DOI: 10.1016 / s0043-1648 (03) 00273-4

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Шольц, К. Х. (2002). Механика землетрясений и разломов, второе издание . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.

    Google Scholar

    Шуберт Г. (1942). Zur Frage der Druckverteilung unter elastisch gelagerten Tragwerken. Инженер-архив . 13, 132–147. DOI: 10.1007 / bf02095912

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Снеддон, И.Н. (1965). Связь между нагрузкой и проникновением в осесимметричной задаче Буссинеска для штампа произвольного профиля. Внутр. J. Eng. Sci. 3, 47–57. DOI: 10.1016 / 0020-7225 (65) -4

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Шипы, Х. (2018). Повышенная стрессом термическая активация: трибология чувствует силу. Трение 6, 1–31. DOI: 10.1007 / s40544-018-0201-2

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Тейделт, Э. (2015). Осциллирующие контакты: движение, вызванное трением, и управление трением . Кандидатская диссертация, Технический университет Берлина.

    Вакис А. И., Ястребов В. А., Шайберт Дж., Никола Л., Дини Д., Минфрей К. и др. (2018). Моделирование и симуляция в трибологии в разных масштабах: обзор. Tribol. Int. 125, 169–199. DOI: 10.1016 / j.triboint.2018.02.005

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Веттер Р. (2016). Взаимодействие системной динамики и сухого трения: вытяжка, храповик и микропрогулка .Кандидат наук. докторская диссертация, Технический университет Берлина.

    Willert, H.-G., Buchhorn, G.H., Fayyazi, A., Flury, R., Windler, M., Köster, G., et al. (2005). Подшипники металл-металл и гиперчувствительность у пациентов с искусственными тазобедренными суставами. J. Bone Joint Surg. 87, 28–36. DOI: 10.2106 / jbjs.a.02039pp

    PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

    трибология | физика | Britannica

    Трибология , исследование взаимодействия поверхностей скольжения.Он включает три предмета: трение, износ и смазку ( qq.v. ). Трудность состоит в том, что трение обычно называют разделом физики или машиностроения, износ — это часть материаловедения в металлургии, а смазка — это раздел химии. Таким образом, трибология — сложный междисциплинарный предмет.

    Явления, рассматриваемые в трибологии, являются одними из наиболее фундаментальных и наиболее распространенных из явлений, с которыми люди сталкиваются во взаимодействии с их преимущественно твердой средой.Многие проявления трибологии полезны и, действительно, делают возможной современную жизнь. Однако многие другие эффекты трибологии представляют собой серьезные неудобства, и необходимо тщательно продумать конструкцию, чтобы преодолеть неудобства, возникающие из-за чрезмерного трения или износа. В целом трение расходует или тратит впустую значительное количество энергии, производимой человечеством, в то время как большая часть производственной мощности направляется на замену предметов, которые стали бесполезными из-за износа.

    Британская викторина

    Викторина «Все о физике»

    Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

    Трение — это сопротивление скольжению твердого тела, когда сопротивление создается контактирующим телом. Следовательно, это жизненно важный фактор в работе большинства механизмов. Высокое трение необходимо для удовлетворительного функционирования гаек и болтов, скрепок и клещей, а также для привычных процессов ходьбы, захвата предметов вручную и создания куч из песка или яблок. Однако низкое трение желательно для объектов, которые предназначены для непрерывного движения, таких как двигатели, лыжи и внутренний механизм часов.В тормозах и сцеплениях требуется постоянное трение, иначе возникнет неприятное рывковое движение.

    Трение как раздел механики изучается в течение многих сотен лет, и его законы, а также удовлетворительные методы оценки величины трения известны уже почти два столетия. Механизм трения, а именно, точный процесс потери энергии при скольжении двух поверхностей друг о друга, понят лишь неполно.

    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишись сейчас

    Износ — это удаление материала с твердой поверхности в результате механического воздействия другого твердого тела. Это настолько универсальное явление, что два твердых тела редко скользят друг по другу или даже касаются друг друга без измеримого переноса материала или потери материала. Таким образом, монеты изнашиваются в результате постоянного контакта с человеческими пальцами; карандаши изнашиваются после скольжения по бумаге; рельсы изнашиваются в результате продолжающегося катания по ним колес поезда.Только живые существа (, например, костных суставов) в целом невосприимчивы к необратимым повреждениям, вызванным износом, потому что только они обладают свойством заживления путем отрастания. И даже некоторые живые существа не заживают сами ( например, зубов у человека).

    Систематическому изучению износа серьезно препятствовали два фактора: во-первых, наличие ряда отдельных процессов износа, что привело к большой путанице, особенно в терминологии; во-вторых, трудности, вызванные небольшим количеством материала, вовлеченного в процессы износа.Эти трудности были значительно облегчены, когда в 1940-х годах стали доступны радиоактивные изотопы обычных технических металлов (железа, меди, хрома и т. Д.); Изотопные индикаторы с использованием этих радиоизотопов позволяют измерять износ даже в небольших количествах во время его возникновения. Это позволило идентифицировать типы износа и раскрыть законы износа.

    Использование смазочных материалов, а именно веществ, вводимых на поверхность раздела между скользящими поверхностями для уменьшения трения, является древней практикой, и египетские изображения, датируемые 4000 лет назад, показывают применение смазок для уменьшения трения, связанного с перетаскиванием тяжелых памятников.В современной практике смазывания основной задачей является снижение износа, сопровождающего скольжение, и, в то же время, разработка систем смазки, которые будут работать в течение длительных периодов времени без осмотра или обслуживания.

    Большое количество различных смазочных материалов используется одновременно (одна крупная нефтяная компания может продавать много сотен различных разновидностей), и ни одному аспекту трибологии не уделяется столько внимания, как разработке и тестированию улучшенных смазочных материалов.

    Что такое трибология? И их практическое применение

    Вам не нужно работать в машиностроении, чтобы столкнуться с трибологией в повседневной жизни.Подошвы ваших кроссовок, например, спроектированы с высокой точностью для лучшего сцепления. Применения включают биотрибологию в здравоохранении, где трибология тазобедренного сустава обеспечивает наилучшее естественное движение.

    Сегодня трибологические исследования развиваются в области нано, и важной отраслью изучения трибологических систем является нанотрибология. Нанотрибологи исследуют трение в наномасштабе и используют эти знания в таких приложениях, как магнитные запоминающие устройства.

    В Saint-Gobain мы работаем с инженерами над контролем трения, обеспечивая надежность, надежность и долговечность их приложений.Для нас трибологические исследования играют важную роль в производстве надежных компонентов. Например, мы работаем с нашими клиентами из автомобилестроения, чтобы обеспечить постоянное контролируемое трение, которое снижает износ, шум, вибрацию и коррозию.

    Трибология и смазка

    Смазка — это отдельная ветвь трибологии. Как мы все знаем, смазка снижает эффект трения. Помимо очевидных смазочных материалов, таких как масло или консистентная смазка, существуют также твердые смазочные материалы, которые могут быть непосредственно интегрированы в структуру материала компонентов (примером этого являются наши подшипники NORGLIDE ® PTFE), обеспечивающие присущие или самосмазывающиеся свойства.Это короткое видео объясняет, как работает этот механизм:

    Достаточно очень небольшого количества смазки, чтобы резко изменить трение между двумя поверхностями. В случаях, когда очень тонкая пленка смазки прилипает к поверхностям, создавая слой с низким коэффициентом трения, это обычно называется граничным трением.

    В некоторых случаях эта пленка толще и достаточна, чтобы полностью отделить две поверхности друг от друга.Обычно это создается каким-то движением и очень похоже на действие колеса вашего автомобиля при аквапланировании. Это называется трением жидкой пленки и обычно приводит к очень низкому трению.

    Эффективность применяемого смазочного материала зависит от его вязкости, которая может меняться в зависимости от условий эксплуатации. Опять же, трибология применяется к рецептуре смазочного материала, обнаруживая решающий баланс между снижением трения скольжения и слишком высокой вязкостью.


    Как трибология помогает повысить энергоэффективность

    Энергия теряется на трение в скользящих поверхностях.Мы можем снизить потребление энергии, гарантируя, что наши системы имеют низкое трение, а исследования в области трибологии в сочетании с наукой о материалах могут помочь изменить ситуацию.

    Возвращаясь к автомобильной промышленности, недавнее исследование энергопотребления легковых автомобилей показало, что только 21,5% энергии топлива используется для приведения в действие автомобиля, а потери на трение составляют огромные 33% (28%, если не считать торможение).

    И, конечно же, уменьшение скорости износа компонента из-за трения увеличивает срок службы трибосистемы, что, в свою очередь, сокращает утилизацию и производство.

    Инженерная экспертиза в Saint-Gobain

    Наша приверженность исследованиям и разработкам отличает нас от традиционных производителей. Наши компоненты, изготовленные на заказ, основаны на тысячах часов исследований и прикладных исследований в области инженерии поверхностей и трибологических систем. Если вы хотите узнать больше, пожалуйста, свяжитесь с , свяжитесь с нами, , в Saint-Gobain.

    Техническая керамика Brevier

    5.7.1.2 Трибологические системы

    Вообще говоря, трение и износ считается отражением потерь в трибологических системах.Они зависят не только от свойств отдельных материалов, но также о происходящих взаимодействиях и величинах всех напряжений, действующих в системе. При некоторых обстоятельствах даже небольшие изменения в системе могут иметь значительные последствия от коэффициента трения и от степени износа.

    Следовательно, трение и износ свойства системы, а не просто характеристики отдельных материалы!

    Трибологическая система состоит из этих четыре элемента: основной корпус, противостоящий корпус, промежуточный материал и окружающая среда.Эти вместе с сумма всех напряжений, которые мы можем назвать система напряжений, определить коэффициент трения, тип и степень износа.



    Рисунок 94:     Изображение трибологической системы

    Система напряжений состоит из технических и физические параметры нормальной силы, FN, скорости, v, температура, T, продолжительность напряжения ts, типы движения и изменение этих факторов с течением времени.
    На практике трибологические системы делятся на