Основные
понятия
Триботехника – наука о контактном
взаимодействии твердых тел при
их относительном движении, охватывающая
весь комплекс вопросов трения,
изнашивания и смазки машин.
В некоторых странах, в том
числе и России, вместо термина
триботехника употребляют термины
трибология и трибоника. Название научной
дисциплины трибология образовано от
греческих слов «трибос» - трение и «логос»
- наука. Она охватывает теоретические
и экспериментальные исследования физических
(механических, электрических, магнитных,
тепловых), химических, биологических
и других явлений, связанных с трением,
изнашиванием и смазкой. Как наука, трибология
имеет научно-технические разделы: трибофизику,
трибохимию, триботехническое материаловедение,
трибомеханику, трибоинформатику и др.
Необходимо также дать пояснения
некоторых терминов, которые будут
наиболее часто встречаться в
тексте.
Внешнее трение – явление сопротивления
относительному перемещению, возникающее
между двумя телами в зонах
соприкосновения поверхностей по
касательным к ним, сопровождаемое диссипацией
энергии.
Изнашивание – процесс разрушения
и отделения материала с поверхности
твердого тела и (или) накопления
его остаточной деформации при
трении, проявляющийся в постепенном
изменении размеров и (или)
формы тела.
Износ – результат изнашивания,
определяемый в установленных
единицах.
Смазка – действие смазочного
материала, в результате которого
между двумя поверхностями уменьшается
сила трения и (или) интенсивность
изнашивания.
Износостойкость – свойство материала
оказывать сопротивление изнашиванию
в определенных условиях трения, оцениваемое
величиной, обратной скорости изнашивания
или интенсивности изнашивания.
Антифрикционные материалы –
материалы, используемые для работы
в несущих или направляющих
узлах трения (подшипниках скольжения,
радиальных и торцовых уплотнениях).
Фрикционные материалы – материалы,
предназначенные или используемые
для работы в узлах трения,
передающих или рассеивающих
кинетическую энергию движущихся
масс (в тормозах, муфтах, сцеплениях,
демпферах, вариаторах и др.).
Присадка – вещество, добавляемое
к смазочному материалу для
придания ему новых свойств
или усиления существующих.
Надежность – это свойство
объекта сохранять во времени
в установленных пределах значения
всех параметров, характеризующих способность
выполнять требуемые функции в заданных
режимах и условиях применения, технического
обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.
Инженерно-технические
проблемы триботехники
Наиболее актуальными инженерно-техническими
проблемами в триботехнике на сегодняшний
день являются следующие:
- экономика
и триботехника;
- создание
«безызносных» узлов трения машин;
- разработка
методов расчета деталей на износ;
- защита деталей
машин от водородного изнашивания;
- расширение
применения финишной антифрикционной
безабразивной обработки (ФАБО) трущихся
деталей;
- совершенствование
смазывания деталей сочленений;
- исследование
электрических, магнитных и вибрационных
явлений при изнашивании;
- подготовка
инженерных кадров по триботехнике;
- разработка
новой теории трения и безызносности;
- триботехника,
интересы здоровья и защиты окружающей
среды;
- программа
исследований водородного изнашивания
и избирательного переноса;
- построение
и реализация банка данных по триботехнике
и единство терминов и определений в триботехнике;
- необычные
условия работы машин и приборов;
- компьютерная
трибология.
А также к проблемам триботехники
можно отнести проблемы технического
обновления различных отраслей
машиностроения.
Проблема
защиты деталей машин
от водородного изнашивания
Важной задачей триботехники
является разработка методов
борьбы с водородным изнашиванием.
Около 15 лет назад в Советском
Союзе было экспериментально
обнаружено неизвестное ранее
явление концентрации в поверхностных
слоях трущихся деталей водорода,
выделяющегося из материалов пары трения
и из окружающей среды. Это явление вызывает
ускорение изнашивания. Водородное изнашивание
характеризуется интенсивным выделением
водорода в результате трибодеструкции
водородсодержащих материалов, ускоряемым
механохимическим действием. Кроме того,
оно характеризуется диффузией водорода
в деформируемый слой стали и особым видом
разрушения, связанным с одновременным
появлением большого числа «зародышей»
трещин во всей зоне деформирования, и
упомянутым накапливанием водорода. Водородное
изнашивание вносит новые представления
о механизме хрупкого разрушения.
Защита от водородного изнашивания
имеет особое значение для
следующих отраслей:
- авиатехники
(узлы трения топливных насосов, а также
тормозные колодки и барабаны колес выходят
из строя в результате водородного изнашивания);
- железнодорожного
транспорта (водородному изнашиванию
подвергаются рельсы и колеса вагонов);
- автомобильного
транспорта (водородное изнашивание резко
снижает срок службы цилиндров и поршневых
колес двигателей, тормозных накладок,
тормозных барабанов и дисков сцепления,
а также лопаток бензиновых насосов и
других деталей агрегатов автомобилей);
- морского
флота (водородному изнашиванию подвергаются
узлы трения, смазываемые водой);
- деревообрабатывающей
промышленности (водородное изнашивание
деревообрабатывающего инструмента и
рабочих органов машин сдерживает рост
производительности труда в отрасли);[1]
- техники Севера
(одной из причин быстрого изнашивания
машин, работающих на Севере, является
охрупчивающее действие водорода, который
при низких температурах не рассасывается
в поверхностных слоях, а концентрируется
между зоной трения и объемом материала
трущейся детали вследствие значительного
перепада температур);
- химического
машиностроения (узлы трения машин и оборудования
химической промышленности изнашиваются,
главным образом, в результате действия
водорода);
- техники будущего
(в новых машинах расширяется применение
титана и его сплавов; при трении эти материалы,
обладая низкими антифрикционными свойствами,
весьма сильно поглощают водород и подвергаются
водородному изнашиванию).
При ведущейся в России и
США широкой работе по созданию
двигателей для автомобилей и
самолетов на водородном топливе
исследователи должны заранее
принять меры защиты деталей от
водородного изнашивания.
Проблема водородного изнашивания
имеет комплексный межотраслевой
характер, а поэтому требует привлечения
к ее решению ученых различных
специальностей (металловедов, физиков,
химиков, специалистов по триботехнике),
и должна выполняться по единому плану.
Проблема
создания «безызносных»
узлов трения машин
До последнего времени генеральным
направлением по борьбе с изнашиванием
в машиностроении было повышение
твердости трущихся поверхностей
детали. В промышленности разработано
большое количество методов повышения
твердости деталей (хромирование, азотирование,
цементирование и т. д.). Многолетний опыт
свидетельствует, что это направление
позволило в большей степени повысить
надежность трущихся деталей машин. Однако
постоянное стремление к уменьшению массы
машин и повышению интенсификации рабочих
процессов привело к увеличению давлений
в узлах машин и скоростей скольжения
и ухудшило условия смазывания. Кроме
того, требования к повышению КПД механизмов,
а также применение специальных смазочных
материалов и жидкостей привело к тому,
что традиционные методы увеличения износостойкости
деталей повышением их твердости во многих
случаях перестали себя оправдывать. В
процессе поиска средств увеличения износостойкости
деталей машин в нашей стране открыт избирательный
перенос при трении.
Избирательный перенос (ИП) – это комплекс
физико-химических явлений на контакте
поверхностей при трении, который позволяет
преодолеть ограниченность ресурса трущихся
сочленений машин и снизить потери на
трение. ИП есть особый вид трения, который
обусловлен самопроизвольным образованием
в зоне контакта неокисляющейся тонкой
металлической пленки с низким сопротивлением
сдвигу и неспособной наклепываться. На
пленке образуется в свою очередь полимерная
пленка, которая создает дополнительный
антифрикционный слой. ИП, его системы
снижения износа и трения (системы СИТ),
разработанные А. А. Поляковым, не вытекают
из ранее имевшихся представлений о трении
и изнашивании. Процессы, составляющие
сущность ИП, находятся на стыках разделов
химии, физической химии, физики, синергетики
и механики. Сложность ИП состоит также
в том, что ряд его химических и физических
процессов не встречался в практике исследований
трения. Большинство химических реакций
ИП являются гетерогенными, поэтому их
изучение затруднено.
Но в то же время ИП имеет
в своей основе полезные физико-химические
явления и группы явлений (систем).
Они подавляют изнашивание, снижают сопротивление
сдвигу и обладают свойством самоорганизации,
а иногда и способностью к обратной связи
с возбуждающей причиной. Их основная
ценность состоит в том, что они работают
дифференцированно против факторов, ведущих
к разрушению поверхности. Почти каждая
из систем имеет глубокое содержание;
например, система защиты от водородного
изнашивания представляет собой целое
трибологическое направление. Традиционной
системой снижения износа и трения (СИТ)
является самопроизвольное образование
слоя смазочного материала при трении
с граничной смазкой в результате адсорбции
молекул смазочного материала на поверхности.
А в ИП имеется максимальное число систем
СИТ, и эффект здесь наиболее полный и
существенный. Весьма полезным свойством
ИП является также свойство работать в
средах, где трение при граничной смазке
не может эффективно выполнять свои функции.
ИП проявляет способность перестройки
защитных систем, которые варьируются
в зависимости от свойств среды, являющейся
исходным материалом для образования
системы снижения износа и трения.
Исследование механизма ИП, его
закономерностей и областей рационального
применения привело к некоторому
изменению установившихся ранее
взглядов на ряд вопросов триботехники:
структуру и свойства тонких поверхностных
слоев трущихся деталей машин, механизм
изнашивания и смазочного действия, пути
создания смазочных материалов и присадок
к ним, оптимальную структуру и свойства
износостойких и антифрикционных материалов
и приработочных покрытий и т. д.
ИП
применен или апробирован в машинах: самолетах,
автомобилях, станках, паровых машинах,
дизелях тепловозов, прессовом оборудовании,
редукторах, оборудовании химической
промышленности, механизмах морских судов,
магистральных нефтепроводах, электробурах,
холодильниках, гидронасосах, нефтепромысловом
оборудовании. ИП применяется также в
приборах и может быть использован для
повышения стойкости режущего инструмента
при сверлении, фрезеровании, протягивании,
дорновании и резьбонарезании.
ИП позволяет: 1) при изготовлении машин
экономить металл (15-20%) за счет большей
грузоподъемности (в 1,5-2 раза) пар трения;
2) увеличить срок работы машин (в 2 раза),
сократить период приработки двигателей
(в 3 раза) и редукторов (до 10 раз), соответственно
сократить расход электроэнергии; 3) в
подшипниках качения и скольжения уменьшить
расход смазочных материалов (до 2 раз);
4) повысить КПД глобоидных редукторов
с 0,7 до 0,85; винтовой пары с 0,25 до 0,5; 5) увеличить
экономию драгоценных металлов (золота,
платины, серебра) в приборах в 2-3 раза
за счет большей надежности электрических
контактов.
Необходимо отметить, что сейчас
в триботехнике ясно проступают
черты новой концепции трения,
основанной на глубокой теоретической
проработке раздела физики –
термодинамики образования самоорганизующихся
структур при необратимых процессах. Разработка
этой теории, а также дальнейшее развитие
работ по созданию практически неизнашиваемых
узлов трения машин, оборудования и приборов
с использованием ИП – одни из важнейших
проблем современной триботехники.
Проблема
расширения и применения
ФАБО
Как известно, износостойкость зависит
от окончательной (финишной) технологической
обработки поверхностей деталей.
Имеются обширные экспериментальные
исследования по влиянию шероховатости
поверхностей трения на интенсивность
изнашивания деталей. Установлено, что
от финишной обработки деталей зависит
не только первоначальный (приработочный)
износ, но и установившийся износ. В последние
годы разработаны новые технологические
процессы финишной обработки деталей,
которые позволяют снизить приработочный
износ деталей и повысить антифрикционные
свойства сочленения (улучшить смазку
деталей, снизить коэффициент трения).
К таким методам можно отнести вибрационную
обработку поверхностей трения и алмазное
выглаживание. Однако триботехники считают,
что использованы еще не все резервы повышения
износостойкости деталей в части применения
новых финишных обработок.
В связи с изложенным крайне
необходима разработка нового
технологического метода окончательной
обработки деталей, при котором вообще
исключалась бы абразивная обработка
поверхности. К таким методам относится
разработанная финишная антифрикционная
безабразивная обработка (ФАБО). Новая
высокопроизводительная оснастка и химические
составы обеспечивают высокое качество
антифрикционного покрытия.
Сущность ФАБО состоит в том,
что поверхность трения детали
покрывается тонким слоем латуни,
бронзы или меди путем использования
явления переноса металла при
трении. Перед нанесением покрытия
обрабатываемую поверхность обезжиривают
и покрывают глицерином или смесью, состоящей
из двух частей глицерина и одной части
10%-ного раствора соляной кислоты. В процессе
трения окисная пленка на поверхности
стали разрыхляется, поверхность медного
сплава пластифицируется и создаются
условия для его схватывания со сталью.
Толщина перенесенного слоя бронзы или
латуни 1-2 мкм.