Трибология - наука о трении Видеоматериалы

Трибология (от греч. tribo – растираю) - наука, занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов. Результаты научной деятельности трибологов касаются явлений, возникающих при контакте двух перемещающихся относительно друг друга поверхностей. Как правило, целью трибологических исследований и разработок является уменьшение износа и предупреждение повреждений трущихся поверхностей путем применения соответствующих смазочных материалов и иными способами. Трибология граничит с такими смежными дисциплинами, как металловедение, сопротивление материалов, физика, химия и т. п.

Свое начало трибология берет в глубокой древности. Основные детали узлов машин, радиальных подшипников, роликоподшипников, зубчатых передач, были известны в доисторическую эпоху примерно пять тыся лет назад.

Существует несколько оставшихся изображений (рисунков) подшипников скольжения, датированных той эпохой. Например, каменный карман для нижней оси двери ассирийского храма (приблизительно 2500 лет до н.э.) и изображение транспортировки Египетского каменного колосса с использованием деревянных салазок, доказывающих первое применение смазочного материала в трибологических целях (примерно 2400 год до н.э.). Расчет трения, произведенный современными трибологами, доказывает то, что между полозьями салазок и деревянными болванами была применена смазка. Существуют некоторые предположения относительно типа смазочного материала: вода, грязь (ил) из реки Нил, в который добавили оливковое масло.

В античности (900 г. до н.э. - 400 н.э.) наблюдалось значительное развитие технической мысли в области применения радиальных подшипников и зубчатых передач, а также первых конструкций роликовых подшипников. Имеется несколько примеров, показывающих уровень развития узлов трения в то время:

• Деревянные диффференциальные передачи в знаменитой "указывающей на юг" колеснице (Китай, примерно 255 год до н.э.). Железные кольца (втулки) использовались в деревянных рамах, чтобы избежать трения железного вала по дереву и, как следствие, большего износа.
• Передача Архимеда со всеми элементами червячной передачи (3 век до н.э.).
• Роликовые подшипники для вращающихся платформ на Римских судах на озере Неми (примерно 50 год н.э.).
• Фрагменты упорного шарикоподшипника (бронзовые шары перекатывались по деревянной платформе).
• Фрагменты упорного подшипника с коническими, сужающимися к концу роликами (деревянные ролики по деревянной платформе).

В течение Средневековья (400 г. н.э. - 1450 г.) не произошло значительных усовершенствований элементов машин. Это время может характеризоваться как период стагнации. Среди интересных изобретений:

• Валы размалывающих камней с зубчатыми передачами (мельница в Бокеле, примерно 1200 год).
• Часовой механизм средневековых часов собора в Уэлсе с металлическими зубчатыми передачами и латунными радиальными подшипниками (1392 год).

Эпоха Возрождения (1450-1600), эра Леонардо да Винчи (1452-1519), гениального художника, инженера, архитектора, характеризуется трудностями в реализации новых теоретических знаний на практике.Например:

• Примитивные радиальные подшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов (примерно 1500 год) и часовой механизм собора в Юберлингене.
• Механизм червячных передач (1588).

Новых смазочных материалов не создавалось, но Леонардо да Винчи обнаружил, что трение может быть уменьшено применением доступных растительных и животных масел. В процессе своих исследований он обнаружил, что существует соотношение между нагрузкой и силой трения. Он также определили первые законы сухого трения. Применяя свои законы, он установил:

• Преимущества качения перед скольжением.
• Преимущества линейного/точечного контакта перед контактом по площади.
• Преимущества обеспечения расстояния между телами качения в подшипниках качения.

В альбомах Леонардо да Винчи мы находим примеры:

• Упрощенной формы сепаратора роликового подшипника.
• Эскизы для упорных шариковых подшипников и роликовых подшипников с коническими телами качения.
• Эскиз зубчатой передачи для преобразования вертикального движения во вращательные.

Эпоха начала промышленной революции (1600-1750 гг.) замечательна достижениями в конструировании подшипников и зубчатых передач. Примеры этого следующие:

• Определение эвольвенты зубчатого колеса и геометрических принципов зубчатых зацеплений Хьюгенсом (1665), де ла Найэром (1694) и Леопольдом.
• Сконструирован механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками (17 век).
• Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипиковыми блоками для компенсации износа (Плюмис, 1701 год).

В китайских публикациях за 1637 год мы можем прочесть что "одна капля масла в подшипник делает повозку, а тысяча капель - корабль, готовым к эксплуатации". Многие исследователи осознали, что свиной жир (Амонтон, де ла Найар) и растительные масла могут использоваться как смазочные материалы.

Все больше и больше ученых в эпоху начала промышленной революции вовлекаются в разработку теорий трения и изнашивания.

• Роберт Хук (1680) вывел закономерности трения качения;
• Исаак Ньютон (1687) определил вязкость как меру внутреннего трения жидкостей: вязкость = напряжение сдвига / скорость света.
• Гильом Амонтон (1699) подтвердил законы трения Л. да Винчи;
• Леонард Эйлер (1750) - аналитическое определение трения; обозначил коэффициент трения символом m.

Период технической революции (1750-1850 гг.) характеризуется улучшением в понимании функционирования элементов и деталей машин, что и привело к более совершенным их конструкциям - это эра Джеймса Ватта.

• Примеры зубчатых зацеплений:
• Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла (1758).
• Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом (1781).
• Примеры радиальных подшипников:
• Предложение конструкции радиальных подшипников для осей экипажа, сделанные Фелтоу (1794).
• "Высокотехнологичный" подшипник колеса железнодорожного вагона (1830).
• Примеры роликовых подшипников:
• Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии (1770).
• Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора (Патент Вогана, 1794).

В этот период для применения были доступны несколько видов животных, растительных и минеральных масел, также как и твердых смазочных материалов. Было выдано несколько патентов

Развитие фундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризовано перечислением выдающихся ученых того времени и их достижений:

• Шарль Августин Кулон (1785): подтверждение законов трения Л. Да Винчи и Амонтона.
• Джордж Рени (1825): измерение трения и износа; первый список коэффициентов трения для различных материалов; зависимость износа от смазки.
• Шарль Хатчет (1803): зависимость износа от материала.
• Клод Луи Навье (1822): определение и использование слова "вязкость".
• Джордж Габриэль Стокс (1845): определение совместно с Навье уравнений движения, ставших позднее основой гидродинамической теории.

В течение 75 лет технического прогресса (1850-1925 гг.) все еще довольно примитивные конструкции применялись для подшипников и зубчатых передач, выбор материалов был очень простым, но некоторые значительные усовершенствования могут быть отмечены:

• Смазываемый водой радиальный подшипник для буксы, сконструированный Артсом (1860).
• Шариковые, а затем и роликовый подшипник с возможностью компенсации углового перекоса, сконструированный Вингквистом, основателем SKF.
• Зубчатая передача для первого электрического локомотива, сконструированная Сименсом (1879).
• Ведущая шестерня главной передачи для автомобиля (1902).
• Шевронная зубчатая передача для морского редуктора (1913).
• В области смазочных материалов были сделаны следующие достижения:
• Растительные и животные масла интенсивно вытеснялись минеральными маслами.

Наиболее характерными для практического применения были следующие смазочные масла, полученные дистилляцией (перегонкой) и очисткой (1916): легкое и тяжелое веретённое масло; компрессорное масло; легкие и тяжелые машинные масла; очищенные цилиндровые масла.

Первые присадки в масло: диспергированный графит, эмульгаторы; компоненты, повышающие вязкость.

Известные ученые, инженеры и трибологи исследовали соотношение между трением, износом и смазкой, особенно применительно к радиальным подшипникам. Наиболее важное открытие было сделано Б. Тауэром в 1885 г., который обнаружил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Это открытие привело к успехам в конструировании и эксплуатации подшипников.

В ряду знаменитых имен того времени:

• Густав Адольф Гирн (примерно 1880 год): подтвердил законы трения Л. да Винчи, Амонтона и Кулона.
• Генрих Рудольф Гер (1881): физические законы трения качения.
• Бишам Тауэр (1883): определил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Интеграл гидродинамического давления в окружном и осевом направлении равен средней нагрузке подшипника.
• Николай Павлович Петров (1883): законы трения концентрических радиальных подшипников.
• Осборн Рейнольдс (1885): математическая разработка гидродинамических эффектов. Уравнение Рейнольдса для гидродинамического давления - основа для расчета подшипников.
• Ричард Штрибек (1902): измерение трения / подтвердил наличие гидродинамических эффектов. Кривая Штрибека: соотношение между трением, нагрузкой, скоростью и вязкостью.
• Йоаганн Вильгельм Зоммерфельд (1904): предложил аналитическое решение уравнения Рейнольдса. Ввел число Зоммерфельда.

С 1925 года по настоящее время произошли особо внушительные достижения в области машиностроения (конструирование узлов трения).Подшипники и зубчатые передачи получили дальнейшее развитие путем внедрения теоретических разработок в практику. Этот процесс происходил на основе оптимизации узлов трения, выбора материалов, обработки поверхностей и смазки. Как следствие, возросли ресурс и межремонтные периоды эксплуатации механизмов и оборудования.

В части разработки смазочных материалов характерны следующие особенности:

• Разработка и применение присадок;
• Улучшение базовых масел минеральной природы с помощью новых производственных технологий;
• Распространение (появление) синтетических базовых масел.
• Создание смазочных материалов с высокими техническими характеристиками для эксплуатации в условиях высоких и низких температур, высоких нагрузок.

По материалам сайта http://www.tribo.ru.