Трибология и триботехника

Потери  от трения и износа

Каждый день мы становимся свидетелями  различных явлений происходящих в природе и одно из них -  трение. Трение возникает, когда тела, перемещающиеся относительно друг друга, соприкасаются  своими внешними поверхностями (внешнее  трение) или когда элементы структуры тела (атомы, молекулы) перемещаются относительно друг друга (внутреннее трение).  В настоящее время, когда повышаются нагрузки и скорости в механизмах и узлах, трудно переоценить роль трения. Это явление преследует нас повсюду, иногда играя положительную, а иногда отрицательную роль. С трением приходится мириться, а порой устраивать многочисленные мероприятия для преодоления трения. А, как известно из закона сохранения, энергия никуда не исчезает, а переходит из одного вида в другой. Поэтому при внешнем и внутреннем трении всегда происходит преобразование механической энергии в тепловую. Доля такого преобразования при сухом трении может достигать 98 %. Например, 50…55% мощности, вырабатываемой двигателем, расходуется на преодоление трения и разрушение материалов (у отлаженного современного автомобильного двигателя - 20…25% энергии). В процессе  эксплуатации эти потери возрастают. Их уровень во многом определяет эффективность в работе, а также материальные и энергетические затраты.

В развитых государствах 2…6% внутреннего  национального продукта идет на потери на трение и изнашивание (в США  потери составляют 20%).

По  данным ООН 30% всей энергии, вырабатываемой в мире, идет на преодоление сил  трения, а 20% материалов, изготавливаемых в мире, идет на восстановление машин после изнашивания. Проблема трения приводит к тому, что приходится использовать различные смазки, но её применение должно быть четко обоснованным, так как неграмотное употребление смазки сказывается не только на затратах энергии, но также может негативно влиять на окружающую среду и здоровье человека. Для сравнения, к 1980 году СССР и США выпускали примерно одинаковое количество смазочных материалов, но в США этим количеством обслуживалось машин в десятки раз больше, нежели в СССР.

Поэтому, в настоящее время важными  проблемами являются создание композитных  материалов, ничем не уступающих металлам, и поиск новых видов топлив и смазочных материалов.

Результаты  внедрения новых технологий (современных  смазочных материалов):

• снижение потребления энергии за счет уменьшения трения;
• сокращение ручного труда;
• снижение затрат на смазочные материалы;
• снижение затрат на ТО и ремонт;
• исключение потерь, связанных с поломками;
• экономия вложений за счет более интенсивного использования оборудования и большего КПД;
• экономия вложений за счет повышения долговечности машин.

В результате использования новых  технологий и материалов, в США  на изготовление детали расходуется  в два раза меньше энергии, чем  в России.

 

 
Трибология и  триботехника

Трибология – это учение о  трении, износе и смазочном действии в машинах и механизмах. Основной задачей трибологии является изучение взаимодействия твердых и жидких тел под воздействием трения и  окружающей среды. Трибология изучает  природу фрикционного взаимодействия, а также процессы, происходящие в зоне контакте тел.

Триботехника  – это наука о практическом прикладном использовании результатов  исследований в области трибологии. Работы в области триботехники направлены на совершенствование работы машин  в условиях эксплуатации, сокращение затрат энергии на работу машин, сокращение вредных выбросов в окружающую среду, а также использование современных материалов и технологий для разработки и создания машин и оборудования.

До  тех пор пока машины были нефорсированы и тихоходны, совершенствование их осуществлялось исключительно с позиции законов классической механики. У форсированных и скоростных машин в зоне трения выделяется большое количество энергии, и образуются высокие концентраторы напряжений, которые приводят к ускорению физических и химических процессов, происходящих в зоне трения, и  изменению свойств поверхности трущихся тел, которые зачастую существенно отличаются от исходных свойств материалов. Поэтому результаты трения и изнашивания могут существенно отличатся от рассчитанных по законам классической механики. Здесь используется учение о механике фрикционного взаимодействия твердых тел, разработанное П.А.Ребиндером.

Трение твердых тел

Понятия трение, износ и смазка являются основными параметрами, характеризующими триботехнический процесс.

Трение представляет собой процесс  сопротивления относительному движению твердых, жидких и газообразных тел, а величина этого сопротивления  называется силой трения (если нет  движения, то и нет и трения). Микромир, окружающий нас, представляет собой вечно движущуюся материю, состоящую из несущих в себе электрические заряды и массы атомов, ионов и молекул. Движение на микроуровне, как правило, представляет собой хаотическое движение частиц в разных направлениях, среднестатистическая равнодействующая скоростей которых в целом приближается к нулю (компенсируется), и мы наблюдаем окружающие нас материалы (тела), которые они образуют, как бы находящимися в состоянии покоя относительно других тел. Эти частицы, совершая колебательные движения около мест своего равновесия, и взаимодействия со своими соседями проявляют фрикционные взаимодействия в виде тепла и излучения, которые мы легко регистрируем по кинетической энергии этих движущихся частиц (температуре) и спектру излучения. Тем самым результирующее трение частиц, составляющих тела, и температура этих тел представляют собой параметры тесно связанные между собой.

Для смещения тел, объединяющих большую группу атомов, ионов и молекул, друг относительно друга, необходимо прикладывать внешнюю силу, равную по величине силе трения при равномерном движении этих тел. Работа же трения проявляется здесь в виде дополнительного тепла и излучений в зоне трения. В зависимости от того, где при взаимодействии макротел формируются силы, препятствующие относительному движению, трение различают на внешнее, когда силы трения формируются на границе раздела трущихся тел, и внутреннее, когда процессы, формирующие силы трения, происходят внутри одного из взаимодействующих тел.

В основе внутреннего трения лежат процессы, происходящие внутри одного из трущихся тел между элементами, из которых оно состоит. Это могут быть жидкости, смазка, а также и твердые пластичные тела (например, такие как индий, галлий, медь, порошки, а в отдельных случаях даже и разогретые слои железа).

В основе внешнего трения лежит явление  сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним.

Наиболее распространенным в машиностроении и на транспорте является внешнее трение между элементами машин (пары трения: цилиндр-поршень, зубчатые колеса и др.). Многие свойства трущихся тел такие, как уровень трения, износа и их разрушения определяются характером взаимодействия между частицами их образующими.

Для сравнения уровня трения между различными телами используется понятие "коэффициент трения". Эта безразмерная величина, не несущая никакого физического смысла, представляет отношение реализующейся силы трения к нормальной нагрузке. Силы трения всегда направлены в сторону противоположную движению трущегося тела.

Особенности строения и  свойства твердых тел

Все окружающие нас тела состоят  из атомов, ионов, молекул, которые независимо от вида связи между собой (ковалентной, металлической, ионной или водородной) имеют между собой как силы притяжения (более дальнодействующие), так и силы отталкивания (более короткодействующие и сильно возрастающие по сравнению с силами притяжения при уменьшении расстояния между частицами). Общая принципиальная зависимость их по мере уменьшения расстояния между частицами представлена на рисунке.

На  расстоянии между частицами, равном r₀, силы притяжения и силы отталкивания между частицами равняются друг другу. И в случае абсолютного нуля температур частицы стремятся занять место в пространстве со степенью их удаления друг от друга, равной r₀. Но окружающий нас мир имеет температуру отличную от нуля (T₀ = -273°C), и, поэтому, частицы имеют ещё и некоторую дополнительную, приходящую на одну степень свободы, кинетическую энергию, равную:

Тогда полная энергия  частицы равняется уже:

И данная частица займет теперь положение, соответствующее уровню 1-1' на потенциальной  диаграмме. Это означает, что эта  частица будет совершать колебательные  движения на этом уровне, последовательно подвергаясь воздействию то сил упругого притяжения, то сил упругого отталкивания. Если такой частице подвести больше тепла, соответствующее температуре T₂, то частица перейдет уже на уровень потенциального взаимодействия, соответствующий 2-2', где также будет совершать колебательное движение под действием упругих сил притяжения и отталкивания. Линия, проведенная между точками c, d и e будет представлять собой линию теплового расширения для тела состоящего из частиц, характерных для данного материала.

a и b – постоянные, зависящие от природы взаимодействующих веществ;

r – расстояние между частицами;

n = 6…7; m = 8…12.

Если же нагреть этот же материал еще до более высокой температуры (например, T₃), то частицы перейдут еще на более высокий потенциальный уровень 3-3'. И здесь частицы будут при своем колебательном движении испытывать достаточно сильное упругое взаимодействие со стороны сил отталкивания и слабое, также упругое, взаимодействие со стороны сил притяжения. По своим свойствам этот же материал уже приближается к свойствам жидкости. Для случая взаимодействия частиц металлических тел, это будет соответствовать состоянию материала в расплавленном виде.

Если  же материал еще больше нагреть до температуры T₄, то частицы поднимутся еще на более высокий потенциальный уровень 4-4'. Частицы в этом случае переходят состояние, свойственное пару и преимущественным взаимодействием между ними становятся силы упругого отталкивания.

Из рассмотренного выше следует  особо принять во внимание:

• в результате приближения материальных частиц друг к другу на некотором расстоянии между ними возникают силы притяжения;
• по мере  дальнейшего их сближения помимо сил притяжения возникают еще и очень сильно увеличивающиеся по абсолютному значению, силы отталкивания между ними, препятствующие их дальнейшему сближению;
• под действием сил отталкивания и притяжения (сил электрической природы) между частицами, они стремятся занять в пространстве положение с минимумом потенциальной энергии (в результате этого происходит построение кристаллических решеток твердых тел с характерными для них свойствами);
• под действием тепла твердые тела способны менять как свои механические свойства, так и свое фазовое состояние с характерными для него особенностями (так, например: материал твердого тела способен перейти в жидкое состояние, а затем и в парообразное состояние, существенно изменив свои свойства).

Режимы нагружения

В природе не существуют абсолютно  износостойких и неизносостойких  материалов, а существуют режимы нагружения, при которых один и тот же материал проявляет износостойкие (зона I) и неизносостойкие свойства (зоны II,III,IV).

Твердые, монокристаллические и  реальные тела

В процессе кристаллизации (создания твердого тела) его частицы стремятся  занять положение в пространстве с минимумом потенциальной энергии. В результате действия молекулярных сил могут формироваться вещества, получившие название "твердые тела". Твердые тела сохраняют формы, обладают определенной упругостью.

В зависимости от образующихся сил  молекулярного взаимодействия между частицами, они могут образовывать в пространстве аморфные, а также кристаллические тела (силы между частицами распространяются на относительно большие расстояния).

В природе существует 230 типов элементарных кристаллических решеток. Решетка может обладать разными свойствами по разным направлениям (анизотропия механических свойств). Для меди свойства могут отличаться до 30% по различным направлениям.

 

Для любых тел – атомы, находящиеся  внутри решетки испытывают действие со всех сторон. Энергия поля некомпенсированных молекулярных сил атомов, находящихся на поверхности, отнесенная к площади этой поверхности, получила название свободной поверхностной энергии, характерной для данной решетки.

 

 

Реальные кристаллические тела в процессе зарождения приобретают дефекты кристаллической решетки под действием внешних сил (нарушение упорядоченного расположения атомов). Эти дефекты могут быть точечными (эффект замещения, внедрения, "дырок"). Эти дефекты сказываются на свойствах твердых тел.

 

                                                  

 

1 – идеальная  решетка;

2 – реальные условия;

3 – кристаллы, полученные  искусственным путем;

4 – явление наклепа.

Внешняя и внутренняя поверхность твердого тела.

Реальное твердое тело состоит из большого количества монокристаллов, по-разному ориентированных в пространстве. Особенность состоит в том, что граница раздела монокристаллов имеет дефектную структуру, где также существуют некомпенсированные молекулярные силы. В местах наибольшего скопления свободной поверхностной энергии кристаллитов(во впадинах) происходит активная адсорбция газовых молекул, паров жидкости и твердых частиц. В этих местах могут протекать весьма активные химические процессы, а с появлением там электролитов(соли жидкости, газовых молекул) могут проходить активные электрохимические процессы(коррозия). Эти химические процессы активно распространяются по границам зерен, что является причиной проникновения коррозии внутрь металла. В результате реальное твердое тело помимо внешней поверхности имеет также и разветвленную внутреннюю поверхность. В результате взаимодействия с внешней средой поверхностный слой металла по своим механическим свойствам может оказаться существенно отличным от основного материала.