Трибология

Трибология – это наука и техника, изучающая явления трения , смазки и износа взаимодействующих поверхностей, находящихся в относительном движении . Он носит междисциплинарный характер и опирается на многие академические области, включая физику , химию , материаловедение , математику , биологию и инженерию . Основным объектом изучения трибологии являются трибосистемы — физические системы контактирующих поверхностей. Подобласти трибологии включают биотрибологию , нанотрибологию и космическую трибологию . Это также связано с другими областями, такими как сочетание коррозии и трибологии в трибокоррозии , а также контактная механика того, как деформируются контактирующие поверхности.Примерно 20% общих энергетических затрат в мире обусловлено воздействием трения и износа в транспортном, производственном, энергетическом и жилищном секторах.

В этом разделе представлен обзор трибологии со ссылками на многие более специализированные области.

Этимология

Слово трибология происходит от греческого корня τριβ- глагола τρίβω , tribo , «я тру» в классическом греческом языке, и суффикса -logy от -λογία , -logia «изучение», «знание». Питер Йост придумал это слово в 1966 году. в одноименном отчете, в котором подчеркивается цена трения , износа и коррозии для экономики Великобритании.

История

Трибологические эксперименты, предложенные Леонардо да Винчи.

Ранняя история

Несмотря на относительно недавнее название области трибологии, количественные исследования трения можно проследить еще в 1493 году, когда Леонардо да Винчи впервые отметил два фундаментальных «закона» трения . По мнению Леонардо, сопротивление трения было одинаковым для двух разных объектов одинакового веса, но соприкасающихся по разной ширине и длине. Он также заметил, что сила, необходимая для преодоления трения, удваивается по мере увеличения веса. Однако выводы Леонардо остались неопубликованными в его записных книжках.

Два фундаментальных «закона» трения были впервые опубликованы (в 1699 году) Гийомом Амонтоном , с именем которого их сейчас обычно связывают. Они заявляют, что:

• сила трения, действующая между двумя поверхностями скольжения, пропорциональна нагрузке, сжимающей поверхности вместе.
• сила трения не зависит от видимой площади контакта между двумя поверхностями.

Хотя эти простые утверждения не являются универсальными, они справедливы для удивительно широкого спектра систем. Эти законы получили дальнейшее развитие Шарль-Огюстен де Кулон (в 1785 г.), который заметил, что сила статического трения может зависеть от времени контакта, а трение скольжения (кинетическое) может зависеть от скорости скольжения, нормальной силы и площади контакта.

В 1798 году Чарльз Хэтчетт и Генри Кавендиш провели первое надежное испытание на фрикционный износ . В исследовании, проведенном по заказу Тайного совета Великобритании , они использовали простую возвратно-поступательную машину для оценки износа скорости золотых монет . Они обнаружили, что монеты с песком между ними изнашиваются быстрее, чем монеты, изготовленные самостоятельно. в 1860 году Теодор Рейе предложил гипотезу Рея . В 1953 году Джон Фредерик Арчард разработал уравнение Арчарда , которое описывает износ скольжения и основано на теории контакта неровностей .

Другими пионерами трибологических исследований являются австралийский физик Фрэнк Филип Боуден. и британский физик Дэвид Тейбор оба из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Вместе они написали основополагающий учебник «Трение и смазка твердых тел» . (Часть I первоначально была опубликована в 1950 году, а Часть II — в 1964 году). Майкл Дж. Нил был еще одним лидером в этой области в середине-конце 1900-х годов. Он специализировался на решении задач проектирования машин, применяя свои знания трибологии. Нила уважали как педагога, обладавшего даром объединять теоретическую работу со своим собственным практическим опытом для создания простых для понимания руководств по проектированию. Справочник по трибологии , который он впервые отредактировал в 1973 году и обновил в 1995 году, до сих пор используется во всем мире и составляет основу многочисленных учебных курсов для инженеров-проектировщиков.

Дункан Доусон рассмотрел историю трибологии в своей книге «История трибологии» 1997 года (2-е издание). Он охватывает события от доисторических времен до ранних цивилизаций ( Месопотамия , Древний Египет ) и освещает ключевые события до конца двадцатого века.

Отчет Йоста

Термин «трибология» стал широко использоваться после публикации « Йоста» Отчета в 1966 году. В отчете подчеркивается огромная цена трения, износа и коррозии для экономики Великобритании (1,1–1,4% ВВП ). В результате правительство Великобритании создало несколько национальных центров по решению трибологических проблем. С тех пор этот термин распространился в международном сообществе, и многие специалисты теперь называют себя «трибологами».

Значение

Несмотря на обширные исследования, проведенные после доклада Йоста , глобальное влияние трения и износа на потребление энергии , экономические расходы и выбросы углекислого газа по-прежнему значительно. В 2017 году Кеннет Холмберг и Али Эрдемир попытались количественно оценить их влияние во всем мире. Они рассмотрели четыре основных энергопотребляющих сектора: транспорт , промышленность , энергетика и жилищное строительство . Были сделаны следующие выводы:

• В общей сложности ~23% мирового потребления энергии происходит за счет трибологических контактов. Из них 20% приходится на преодоление трения и 3% на восстановление изношенных деталей и запасного оборудования в связи с износом и связанным с ним износом.
• Используя новые технологии снижения трения и защиты от износа, потери энергии из-за трения и износа в транспортных средствах, машинах и другом оборудовании во всем мире можно сократить на 40% в долгосрочной перспективе (15 лет) и на 18% в краткосрочной перспективе. (8 лет). В глобальном масштабе эта экономия составит 1,4% ВВП ежегодно и 8,7% общего потребления энергии в долгосрочной перспективе.
• Наибольшая краткосрочная экономия энергии предполагается на транспорте (25%) и в электроэнергетике (20%), тогда как потенциальная экономия в производственном и жилищном секторах оценивается примерно в 10%. В долгосрочной перспективе экономия составит 55%, 40%, 25% и 20% соответственно.
• Внедрение передовых трибологических технологий также может сократить глобальные выбросы углекислого газа на целых 1,460 миллионов тонн эквивалента углекислого газа (MtCO ₂ ) и привести к экономии затрат в размере 450 000 миллионов евро в краткосрочной перспективе. В долгосрочной перспективе сокращение может составить 3140 млн тонн CO ₂ , а экономия средств составит 970 000 миллионов евро.

Классическая трибология, охватывающая такие области применения, как шарикоподшипники, зубчатые передачи, сцепления, тормоза и т. д., была разработана в контексте машиностроения. Но в последние десятилетия трибология распространилась на качественно новые области применения, в частности микро- и нанотехнологии, а также биологию и медицину.

Фундаментальные понятия

Трибосистема

Основная статья: Трибосистема

Концепция трибосистем используется для детальной оценки соответствующих входов, выходов и потерь в трибологических системах. Знание этих параметров позволяет трибологам разрабатывать процедуры испытаний трибологических систем.

Трибофильм

Основная статья: Трибофильм

Трибопленки — это тонкие пленки, образующиеся на трибологически напряженных поверхностях. Они играют важную роль в снижении трения и износа в трибологических системах.

Кривая Штрибека

Основная статья: кривая Штрибека

показывает Кривая Штрибека , как трение в контактах , смазываемых жидкостью, является нелинейной функцией вязкости смазки , скорости увлечения и контактной нагрузки.

Физика

Трение

Основная статья: Трение

Слово трение происходит от латинского «frictionem», что означает трение. Этот термин используется для описания всех тех диссипативных явлений, которые способны выделять тепло и противодействовать относительному движению между двумя поверхностями. Существует два основных типа трения:

Статическое трение

Возникает между поверхностями, находящимися в фиксированном или относительно неподвижном состоянии.

Динамическое трение

Что происходит между поверхностями, находящимися в относительном движении.

Изучение явлений трения является преимущественно эмпирическим исследованием и не позволяет прийти к точным результатам, а лишь к полезным приблизительным выводам. Эта невозможность получить определенный результат обусловлена ​​чрезвычайной сложностью явления. Если его изучить более внимательно, в нем появятся новые элементы, которые, в свою очередь, еще больше усложнят глобальное описание.

Законы трения

Все теории и исследования трения можно свести к трем основным законам, справедливым в большинстве случаев:

Первый закон Амонтона

Сила трения прямо пропорциональна нормальной нагрузке.

Второй закон Амонтона

Трение не зависит от видимой площади контакта.

Третий закон Кулона

Динамическое трение не зависит от относительной скорости скольжения.

Позже Кулон обнаружил в некоторых случаях отклонения от законов Амонтона. В системах со значительными неоднородными полями напряжений законы Амонтона макроскопически не выполняются, поскольку локальное скольжение происходит раньше, чем скольжение всей системы.

Статическое трение

Рассмотрим брусок определенной массы m, расположенный в спокойном положении на горизонтальной плоскости. Если вы хотите переместить блок, внешняя сила ${\vec {F}}_{out}$ необходимо приложить, таким образом мы наблюдаем определенное сопротивление движению, оказываемое силой, равной и противоположной приложенной силе, которая и есть статическая сила трения ${\vec {F}}_{s.f.}$.

Постоянно увеличивая приложенную силу, мы получаем такое значение, что блок мгновенно начинает двигаться. При этом, также принимая во внимание первые два закона трения, изложенные выше, можно определить силу статического трения как силу, равную по модулю минимальной силе, необходимой для того, чтобы вызвать движение блока, а коэффициент статического трения $\mu$ как отношение силы статического трения ${\vec {F}}_{s.f.}$. и нормальная сила на блоке ${\vec {N}}$, получение

$${\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}$$

Динамическое трение

После того как блок приведен в движение, на него действует сила трения меньшей интенсивности, чем сила статического трения. ${\vec {F}}_{s.f.}$. Сила трения при относительном движении известна как динамическая сила трения. ${\vec {F}}_{d.f.}$. В этом случае необходимо учитывать не только первые два закона Амонтона, но и закон Кулона, чтобы можно было утверждать, что связь между динамической силой трения ${\vec {F}}_{d.f.}$, коэффициент динамического трения k и нормальной силы N равен:

$$\left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}$$

и динамический

Динамический и статический коэффициент

На этом этапе можно суммировать основные свойства коэффициентов статического трения. $\mu$ и динамический $k$.

Эти коэффициенты представляют собой безразмерные величины, определяемые соотношением интенсивности силы трения ${\vec {F}}_{f}$и интенсивность приложенной нагрузки ${\vec {W}}$, в зависимости от типа поверхностей, участвующих во взаимном контакте, и в любом случае всегда справедливо условие такое, что: $\mu >k$.

Обычно значение обоих коэффициентов не превышает единицы и может считаться постоянным лишь в определенных диапазонах сил и скоростей, за пределами которых существуют экстремальные условия, модифицирующие эти коэффициенты и переменные.

В системах со значительными неоднородными полями напряжений макроскопический коэффициент статического трения зависит от внешнего давления, размера или формы системы, поскольку перед скольжением системы происходит локальное скольжение.

В следующей таблице показаны значения статических и динамических коэффициентов трения для распространенных материалов:

Таблица наиболее часто используемых статических и динамических коэффициентов трения

Контактные поверхности	Статическое трение	Динамическое трение
Дерево-дерево	0.25–0.5	0.2
Дерево-картон	0.32	0.23
Лед-лед	0.1	0.02
Деревянные лыжи Scioled – снег	0.04	0.04
Стекло-стекло	0.9–1.0	0.4
Сталь–сталь (гладкая)	0.6	0.6
Сталь-сталь (со смазкой)	0.09	0.05
Сталь–лед	0.1	0.05
Сталь-лед (сухой)	0.78	0.42
Сталь-алюминий	0.61	0.47
Сталь–латунь	0.51	0.44
Сталь-воздух	0.001	0.001
Сталь-Тефлон	0.04	0.04
Тефлон-Тефлон	0.04	0.04
Резиноцемент (сухой)	1.0	0.8
Резиноцемент (мокрый)	0.7	0.5
Медь–сталь	0.53	0.36
Медь–стекло	0.68	0.53
Синовиальные суставы	0.01	0.003

Трение качения

трение качения

В случае тел, способных катиться, существует особый вид трения, при котором не возникает явления скольжения, типичного для динамического трения, но существует также сила, противодействующая движению, что исключает также случай статического трения. трение. Этот вид трения называется трением качения. Теперь мы хотим подробно наблюдать, что происходит с колесом, катящимся по горизонтальной плоскости. Первоначально колесо неподвижно и на него действуют силы веса. $m{\vec {g}}$ и нормальная сила ${\vec {N}}$определяется реакцией на вес пола.

В этот момент колесо приводится в движение, вызывая смещение в точке приложения нормальной силы, которая теперь приложена перед центром колеса, на расстояние b , равное значению трения качения. коэффициент. Противодействие движению вызвано разделением нормальной силы и силы веса именно в тот момент, когда начинается качение, поэтому значение крутящего момента, создаваемого силой трения качения, равно

$${{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}$$

То, что происходит на микроскопическом уровне между колесом и опорной поверхностью, подробно описано на рисунке, где можно наблюдать, как ведут себя силы реакции деформируемой плоскости, действующие на неподвижное колесо.

Непрерывное вращение колеса вызывает незаметные деформации плоскости и, перейдя в следующую точку, плоскость возвращается в исходное состояние. В фазе сжатия плоскость противодействует движению колеса, а в фазе декомпрессии она вносит в движение положительный вклад.

Таким образом, сила трения качения зависит от малых деформаций, которым подвергается опорная поверхность и само колесо, и может быть выражена как $|{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|$, где можно выразить b через коэффициент трения скольжения $\mu$ как ${\textstyle b={\mu v \over r}}$, где r — радиус колеса.

Поверхности

Идя еще глубже, можно изучить не только самую внешнюю поверхность металла, но и непосредственно более внутренние состояния, связанные с историей металла, его составом и процессами изготовления последнего.

можно разделить металл на четыре разных слоя:

1. Кристаллическая структура – ​​основная структура металла, объемная внутренняя форма;
2. Механически обработанный слой – слой, который также может содержать включения посторонних материалов и образуется в результате процессов обработки, которым подвергался металл;
3. Закаленный слой – имеет кристаллическую структуру большей твердости, чем внутренние слои, благодаря быстрому охлаждению, которому они подвергаются в рабочих процессах;
4. Внешний слой или оксидный слой – слой, создаваемый в результате химического взаимодействия металла с окружающей средой и отложения примесей.

Слой оксидов и примесей (третье тело) имеет принципиальное трибологическое значение, ведь обычно он способствует уменьшению трения. Другой факт фундаментальной важности, касающийся оксидов, заключается в том, что если бы вы могли очистить и сгладить поверхность, чтобы получить чистую «металлическую поверхность», мы бы наблюдали объединение двух контактирующих поверхностей. Фактически, в отсутствие тонких слоев загрязнений атомы рассматриваемого металла не способны отличить одно тело от другого, поэтому при контакте образуют единое тело.

Происхождение трения

Контакт между поверхностями состоит из большого количества микроскопических областей, называемых в литературе неровностями или местами контакта, где происходит межатомный контакт. Явление трения, а следовательно, и диссипации энергии, обусловлено именно деформациями, которым подвергаются такие области вследствие нагрузки и относительного движения. Могут наблюдаться пластические, упругие или разрывные деформации:

• Пластические деформации – стойкие деформации формы неровностей;
• Упругие деформации – деформации, при которых энергия, затраченная в фазе сжатия, практически полностью восстанавливается в фазе декомпрессии (упругий гистерезис);
• Деформации разрыва – деформации, приводящие к разрушению неровностей и созданию новых площадей контакта.

Энергия, рассеиваемая во время этого явления, преобразуется в тепло, тем самым повышая температуру соприкасающихся поверхностей. Повышение температуры зависит также от относительной скорости и шероховатости материала, оно может быть настолько большим, что может привести даже к расплавлению участвующих материалов.

В явлениях трения температура играет решающую роль во многих областях применения. Например, повышение температуры может привести к резкому снижению коэффициента трения, а следовательно, и эффективности тормозов.

Теория сплоченности

Теория адгезии утверждает, что в случае сферических неровностей , контактирующих друг с другом, подвергающихся ${\vec {W}}$ нагрузке наблюдается деформация, которая по мере увеличения нагрузки переходит из упругой в пластическую. Это явление предполагает увеличение реальной площади контакта. $A_{r}$, что по этой причине может быть выражено как:

$$A_{r}={{\vec {W}} \over D}$$

где D — твердость материала, определяемая как приложенная нагрузка, деленная на площадь контактной поверхности.

Если в этот момент две поверхности скользят между собой, то наблюдается сопротивление сдвиговому напряжению t , обусловленное наличием клеевых связей, которые возникли именно за счет пластических деформаций, и поэтому сила трения будет равна

$${\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}$$

На этом этапе, поскольку коэффициент трения представляет собой соотношение между интенсивностью силы трения и интенсивностью приложенной нагрузки, можно утверждать, что

$$\mu ={t \over D}$$

таким образом, это относится к двум свойствам материала: прочности на сдвиг t и твердости. Для получения низких значений коэффициентов трения $\mu$ можно прибегнуть к материалам, которые требуют меньшего напряжения сдвига, но при этом очень тверды. Фактически, в случае смазок мы используем подложку из материала с низким напряжением резания t , помещенную на очень твердый материал.

Сила, действующая между двумя твердыми телами, находящимися в контакте, будет иметь не только нормальные компоненты, как предполагалось до сих пор, но также будет иметь тангенциальные компоненты. Это еще больше усложняет описание взаимодействия шероховатостей, поскольку за счет этой тангенциальной составляющей пластическая деформация происходит с меньшей нагрузкой, чем при игнорировании этой составляющей. Более реалистичное описание площади каждого отдельного соединения, которое создается, дается выражением

$${A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}$$

с $\alpha$ постоянная и «касательная» сила ${\vec {F}}_{i}$ наносится на сустав.

Чтобы получить еще более реалистичные соображения, следует также учитывать явление третьего тела , т. е. наличие посторонних материалов, таких как влага, оксиды или смазочные материалы, между двумя контактирующими твердыми телами. Затем вводится коэффициент c, который способен соотнести прочность на сдвиг t чистого «материала» и третьего тела. $t_{t.b.}$

$$t=c\cdot t_{t.b.}$$

с 0 < с < 1.

Изучив поведение в пределах, можно будет обнаружить, что при c = 0, t = 0 и при c = 1 оно возвращается к состоянию, при котором поверхности находятся в непосредственном контакте и отсутствует присутствие третьего тела. Учитывая сказанное, можно скорректировать формулу коэффициента трения следующим образом:

$$\mu ={\frac {c}{[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}$$

В заключение рассмотрен случай упругих тел, находящихся во взаимодействии друг с другом.

Аналогично тому, что мы только что видели, можно определить уравнение вида

$$A=K{\vec {W}}$$

где в данном случае K зависит от упругих свойств материалов. Также для упругих тел касательная сила зависит от коэффициента c, указанного выше, и она будет равна

$${\vec {F}}_{T}=cAs$$

и поэтому можно получить достаточно исчерпывающее описание коэффициента трения

$$\mu =cKs$$

Измерения трения

Самый простой и непосредственный метод оценки коэффициента трения двух поверхностей — это использование наклонной плоскости, по которой скользит блок материала. Как видно на рисунке, нормальная сила плоскости определяется выражением $mg\cos \theta$, а сила трения равна $mg\sin \theta$. Это позволяет нам утверждать, что коэффициент трения можно очень легко вычислить с помощью тангенса угла, под которым брусок начинает скользить. На самом деле у нас есть

$$\mu ={F_{a} \over N}={mg\sin \theta \over mg\cos \theta }={\sin \theta \over \cos \theta }=\tan \theta$$

Затем от наклонной плоскости мы перешли к более сложным системам, которые позволяют нам учитывать все возможные условия окружающей среды, в которых производятся измерения, например, машина с перекрестными роликами или машина со штифтом и диском. Сегодня существуют цифровые машины, такие как «Тестер трения», которые позволяют с помощью программного обеспечения вводить все необходимые переменные. Еще одним широко используемым процессом является испытание на сжатие колец. Плоское кольцо из исследуемого материала пластически деформируют с помощью пресса, если деформация представляет собой расширение как внутреннего, так и внешнего круга, то коэффициенты трения будут низкими или нулевыми. В противном случае при деформации, которая расширяется только во внутренней окружности, коэффициенты трения будут возрастать.

Смазка

Основная статья: Смазка

Чтобы уменьшить трение между поверхностями и контролировать износ, материалы, называемые смазками . используются В отличие от того, что вы думаете, это не просто масла или жиры, а любой жидкий материал, характеризующийся вязкостью, например воздух и вода. Конечно, некоторые смазочные материалы более пригодны, чем другие, в зависимости от типа использования, для которого они предназначены: воздух и вода, например, легко доступны, но первые можно использовать только в условиях ограниченной нагрузки и скорости, а вторые может способствовать износу материалов.

С помощью этих материалов мы пытаемся добиться идеальной жидкой смазки или такой смазки, при которой можно избежать прямого контакта между рассматриваемыми поверхностями, вставив между ними смазочную пленку. Для этого есть две возможности, в зависимости от типа применения, затрат и желаемого уровня «совершенства» смазки, можно выбирать между:

• Флюидостатическая смазка (или гидростатическая в случае минеральных масел) – заключается во введении смазочного материала под давлением между контактирующими поверхностями;
• Жидкостная смазка (или гидродинамика) - которая заключается в использовании относительного движения между поверхностями для проникновения смазочного материала.

Вязкость

Основная статья: Вязкость

Вязкость является эквивалентом трения в жидкостях; по сути, она описывает способность жидкостей сопротивляться силам, вызывающим изменение формы.

Благодаря исследованиям Ньютона удалось достичь более глубокого понимания явления. Он, по сути, ввел понятие ламинарного течения : «потока, в котором скорость меняется от слоя к слою». В идеале жидкость можно разделить между двумя поверхностями ( $S_{1}$, $S_{2}$) области А, в разных слоях.

Слой, контактирующий с поверхностью $S_{2}$, который движется со скоростью v из-за приложенной силы F , будет иметь ту же скорость, что и v плиты, а каждый непосредственно следующий слой будет изменять эту скорость на величину dv , вплоть до слоя, контактирующего с неподвижной поверхностью $S_{1}$, который будет иметь нулевую скорость.

Из сказанного можно утверждать, что сила F , необходимая для того, чтобы вызвать движение качения в жидкости, находящейся между двумя пластинами, пропорциональна площади двух поверхностей и градиенту скорости:

$$F\propto A{dv \over dy}$$

На этом этапе мы можем ввести пропорциональную константу $\mu$, что соответствует коэффициенту динамической вязкости жидкости, чтобы получить следующее уравнение, известное как закон Ньютона

$$F=\mu A{dv \over dy}$$

Скорость меняется на одну и ту же величину dv слоя в слое и тогда возникает условие, что dv / dy = v / L , где L — расстояние между поверхностями. $S_{1}$ и $S_{2}$, и тогда мы можем упростить уравнение, записав

$$F=\mu A{v \over L}$$

Вязкость $\mu$ высок в жидкостях, которые сильно противодействуют движению, и ограничен для жидкостей, которые легко текут.

Таблица коэффициентов вязкости ц для некоторых жидкостей

Жидкость	μ(Па ⋅ с)
СО 2	1.5 ⋅ 10 −5
Воздух	1.8 ⋅ 10 −5
Бензин	2.9 ⋅ 10 −4
Вода (90 °С)	0.32 ⋅ 10 −3
Вода (20 °С)	1.0 ⋅ 10 −3
Кровь (37 °С)	4.0 ⋅ 10 −3
Масло (20 °С)	0.03
Масло (0 °С)	0.11
Глицерин	1.5

Чтобы определить, какой тип течения рассматривается в исследовании, мы наблюдаем его число Рейнольдса

$$Re={{\rho Lv} \over \mu }$$

Это константа, зависящая от массы жидкости. $\rho$ жидкости, от ее вязкости $\mu$ и от диаметра L трубки, по которой течет жидкость. Если число Рейнольдса относительно мало, то имеет место ламинарное течение, тогда как для $Re\simeq 2000$ течение становится турбулентным.

В заключение хотим подчеркнуть, что в зависимости от вязкости жидкости можно разделить на два типа:

1. Ньютоновские жидкости или жидкости, в которых вязкость является функцией только температуры и давления жидкости, а не градиента скорости;
2. Неньютоновские жидкости или жидкости, вязкость которых также зависит от градиента скорости.

Вязкость как функция температуры и давления

Температура и давление являются двумя фундаментальными факторами, которые следует учитывать при выборе смазочного материала вместо другого. Сначала учтите влияние температуры.

Существует три основные причины изменения температуры, которые могут повлиять на поведение смазочного материала:

• Погодные условия;
• Местные тепловые факторы (например, для автомобильных двигателей или холодильных насосов);
• Рассеяние энергии из-за трения между поверхностями.

Чтобы классифицировать различные смазочные материалы в зависимости от их вязкости в зависимости от температуры, в 1929 году Дин и Дэвис ввели индекс вязкости (VI). Они присвоили лучшему из доступных на тот момент смазочных материалов, а именно маслу Пенсильвании, индекс вязкости 100, а в худшем случае — американскому маслу побережья Мексиканского залива — значение 0. Для определения значения промежуточного индекса масла применяют следующую процедуру: Используемое: два эталонных масла выбираются так, чтобы рассматриваемое масло имело одинаковую вязкость при 100 °C, и для определения индекса вязкости используется следующее уравнение

$$V.I.={{L-O_{\text{Test}}} \over {L-H}}\times 100$$

Этот процесс имеет некоторые недостатки:

• Для смесей масел результаты неточны;
• Нет информации, если вы находитесь за пределами фиксированного диапазона температур;
• С развитием технологий стали появляться масла с индексом VI более 100, которые невозможно описать описанным выше методом.

В случае масел с индексом VI выше 100 можно использовать другое соотношение, позволяющее получить точные результаты.

$$V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100$$

$$N={{\operatorname {Log} (H)-\operatorname {Log} (O_{\text{Test}})} \over {\operatorname {Log} (v)}}$$

где в данном случае H — вязкость при 100 °F (38 °C) масла с VI = 100, а v — кинематическая вязкость исследуемого масла при 210 °F (99 °C).

Таким образом, в заключение можно сказать, что повышение температуры приводит к уменьшению вязкости масла. Полезно также иметь в виду, что точно так же увеличение давления влечет за собой увеличение вязкости. Для оценки влияния давления на вязкость используется следующее уравнение

$$\mu =\mu _{0}\exp {(\alpha p)}$$

где $\mu$ – коэффициент вязкости под давлением p, $\mu _{0}$ - коэффициент вязкости при атмосферном давлении и $\alpha$ — константа, описывающая взаимосвязь между вязкостью и давлением.

Меры

Для определения вязкости жидкости используются вискозиметры, которые можно разделить на 3 основные категории:

• Капиллярные вискозиметры, в которых вязкость жидкости измеряют путем помещения ее в капиллярную трубку;
• Вискозиметры с твердой каплей, в которых вязкость измеряется путем расчета скорости твердого тела, движущегося в жидкости;
• Ротационные вискозиметры, в которых вязкость получается путем оценки потока жидкости, помещенной между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении.

Первые два типа вискозиметров в основном используются для ньютоновских жидкостей, а третий очень универсален.

Носить

Основная статья: Одежда

Износ – это постепенное непроизвольное удаление материала с поверхности, находящейся в относительном движении с другим материалом или с жидкостью. Можно выделить два типа износа: умеренный износ и сильный износ. Первый случай касается малых нагрузок и гладких поверхностей, второй — значительно более высоких нагрузок и совместимых и шероховатых поверхностей, у которых процессы изнашивания протекают гораздо более интенсивно. Износ играет принципиальную роль в трибологических исследованиях, так как вызывает изменение формы деталей, используемых в конструкции машин (например). Эти изношенные детали подлежат замене, а это влечет за собой как проблему экономического характера, связанную со стоимостью замены, так и функциональную проблему, так как если вовремя не заменить эти компоненты, может произойти более серьезное повреждение машины в ее комплексе. . Однако это явление имеет не только отрицательные стороны, ведь его часто используют для уменьшения шероховатости некоторых материалов, устранения неровностей. Мы ошибочно склонны представлять износ в прямой зависимости от трения, но на самом деле эти два явления нелегко связать между собой. Могут возникнуть условия, при которых низкое трение может привести к значительному износу и наоборот. Для возникновения этого явления требуется определенное время реализации, которое может меняться в зависимости от некоторых переменных, таких как нагрузка, скорость, смазка и условия окружающей среды, а также существуют различные механизмы износа, которые могут возникать одновременно или даже в сочетании друг с другом. :

1. Адгезивный износ;
2. Абразивный износ;
3. Усталостный износ;
4. Коррозионный износ;
5. Трение или истирание;
6. Эрозионный износ;
7. Другие незначительные явления износа (ударный износ, кавитация, износ-сплавление, распространение износа).

Адгезивный износ

Как известно, контакт двух поверхностей происходит за счет взаимодействия неровностей. Если в зоне контакта приложить сдвиговую силу, можно будет отделить небольшую часть более слабого материала из-за его сцепления с более твердой поверхностью. Описан именно механизм адгезионного износа, представленный на рисунке. Этот тип износа очень проблематичен, так как он предполагает высокие скорости износа, но в то же время можно уменьшить адгезию за счет увеличения шероховатости и твердости задействованных поверхностей или за счет введения слоев загрязнений, таких как кислород, оксиды, вода. , или масла. В заключение можно сказать, что поведение объема адгезионного изнашивания можно описать тремя основными законами.

Закон 1 – Расстояние

Масса, участвующая в износе, пропорциональна расстоянию, пройденному при трении между поверхностями.

Закон 2 – Нагрузка

Масса, участвующая в износе, пропорциональна приложенной нагрузке.

Закон 3 – Твердость

Масса, участвующая в износе, обратно пропорциональна твердости менее твердого материала.

Важным аспектом износа является выброс частиц износа в окружающую среду, который все больше угрожает здоровью человека и экологии. Первым исследователем, исследовавшим эту тему, был Эрнест Рабинович .

Абразивный износ

Абразивный износ состоит из режущих усилий твердых поверхностей, которые действуют на более мягкие поверхности, и может быть вызван либо шероховатостью, которая в виде наконечников срезает материал, о который они трутся (двусторонний абразивный износ), либо частицами твердого материала, которые вставать между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении (трехчастичное абразивное изнашивание). На уровне применения двухчастичный износ легко устраняется посредством соответствующей обработки поверхности, в то время как трехчастичный износ может вызвать серьезные проблемы и поэтому должен быть максимально удален с помощью подходящих фильтров еще до взвешивания. дизайн машины.

Усталостный износ

Усталостный износ — это тип износа, вызванный переменными нагрузками, которые вызывают повторяющиеся во времени локальные контактные силы, что, в свою очередь, приводит к ухудшению качества задействованных материалов. Самым ярким примером такого типа износа является расческа. Если снова и снова проводить пальцем по зубцам расчески, можно заметить, что в какой-то момент один или несколько зубцов расчески отрываются. Это явление может привести к разрушению поверхностей по механическим или термическим причинам. Первый случай описан выше, когда повторяющаяся нагрузка вызывает высокие контактные напряжения. Однако второй случай вызван тепловым расширением материалов, участвующих в процессе. Поэтому, чтобы уменьшить этот тип износа, полезно попытаться уменьшить как контактные силы, так и термоциклирование, то есть частоту воздействия различных температур. Для достижения оптимальных результатов также полезно, насколько это возможно, устранить загрязнения между поверхностями, местные дефекты и включения посторонних материалов в задействованных телах.

Коррозионный износ

Коррозионный износ происходит в присутствии металлов, которые окисляются или корродируют. Когда поверхности чистого металла вступают в контакт с окружающей средой, на их поверхности образуются оксидные пленки из-за загрязнений, присутствующих в самой среде, таких как вода, кислород или кислоты. Эти пленки постоянно удаляются с механизмов абразивного и адгезионного износа, постоянно воссоздаваясь в результате взаимодействия с чистым металлом-загрязнителем. Очевидно, что этот тип износа можно уменьшить, пытаясь создать «специальную» среду, свободную от загрязняющих веществ и чувствительную к минимальным температурным изменениям. В некоторых случаях коррозионный износ также может быть положительным. Фактически, образующиеся оксиды способствуют снижению коэффициента трения между поверхностями или, будучи во многих случаях более твердыми, чем металл, которому они принадлежат, могут использоваться в качестве превосходных абразивов.

Трение или истирание

Износ от трения происходит в системах, подверженных более или менее интенсивным вибрациям, которые вызывают относительные перемещения между контактирующими поверхностями в пределах порядка нанометров. Эти микроскопические относительные движения вызывают как адгезионный износ, вызванный самим смещением, так и абразивный износ, вызванный частицами, образующимися в клейкой фазе, которые остаются в ловушке между поверхностями. Этот тип износа может быть ускорен наличием коррозионно-активных веществ и повышением температуры.

Эрозионный износ

Эрозионный износ возникает, когда свободные частицы, которые могут быть твердыми или жидкими, ударяются о поверхность, вызывая истирание. Используемые механизмы различны и зависят от определенных параметров, таких как угол удара, размер частиц, скорость удара и материал, из которого частицы состоят.

Факторы, влияющие на износ

Среди основных факторов, влияющих на износ, мы находим

• Твердость
• Взаимная растворимость
• Кристаллическая структура

Доказано, что чем тверже материал, тем больше он уменьшается. Аналогичным образом, чем меньше два материала взаимно растворимы, тем больше снижается износ. Наконец, что касается кристаллической структуры, можно констатировать, что одни структуры более устойчивы к износу других, например гексагональная структура с компактным распределением, которая может деформироваться только за счет скольжения по базовым плоскостям.

Скорость износа

Для оценки повреждений, вызванных износом, мы используем безразмерный коэффициент, называемый скоростью износа, определяемый соотношением изменения высоты кузова $\Delta h$ и длина относительного скольжения $\Delta l$.

$$T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}$$

Этот коэффициент позволяет подразделить в зависимости от его размера повреждения, получаемые различными материалами в различных ситуациях, переходя от умеренной степени износа через среднюю к степени сильного износа.

Сорт	Ростовщичество ​	Уровень использования
0	10 − 13 − 10 −12	Умеренный
1	10 −12 − 10 −11
2	10 −11 − 10 −10
3	10 −10 − 10 −9	Середина
4	10 −9 − 10 −8
5	10 −8 − 10 −7
6	10 −7 − 10 −6
7	10 −6 − 10 −5	Серьезный
8	10 −5 − 10 −4
9	10 −4 − 10 −3

Вместо этого для выражения объема износа V можно использовать уравнение Холма

• $V=k{W \over H}l$ (для клеевого износа)
• $V=k_{a}{W \over H}l$ (для абразивного износа)

где W / H представляет реальную площадь контакта, l длину пройденного расстояния и k и $k_{a}$ являются экспериментальными размерными факторами.

Измерение износа

При экспериментальных измерениях износа материала часто необходимо воссоздать достаточно малые скорости изнашивания и ускорить время. Явления, которые в действительности развиваются спустя годы, в лаборатории должны произойти через несколько дней. Первой оценкой процессов износа является визуальный осмотр поверхностного профиля кузова, участвующего в исследовании, включая сравнение до и после возникновения явления износа. При этом первом анализе наблюдаются возможные изменения твердости и поверхностной геометрии материала. Другим методом исследования является использование радиоактивного индикатора, используемого для оценки износа на макроскопическом уровне. Один из двух контактирующих материалов, участвующих в процессе изнашивания, маркируется радиоактивным индикатором. Таким образом, частицы этого материала, которые будут удалены, будут легко видны и доступны. Наконец, для ускорения износа одним из наиболее известных методов являются контактные испытания под высоким давлением. В этом случае для получения желаемых результатов достаточно приложить нагрузку на очень уменьшенную площадь контакта.

Приложения

Транспорт и производство

Исторически исследования в области трибологии были сосредоточены на проектировании и эффективной смазке компонентов машин, особенно подшипников . Однако изучение трибологии распространяется на большинство аспектов современной технологии, и любая система, в которой один материал скользит по другому, может подвергаться сложным трибологическим взаимодействиям.

Традиционно исследования в области трибологии в транспортной отрасли были сосредоточены на надежности, обеспечении безопасной и непрерывной работы компонентов машин. В настоящее время, из-за повышенного внимания к потреблению энергии , эффективность становится все более важной, и поэтому смазочные материалы становятся все более сложными и совершенными для достижения этой цели. Трибология также играет важную роль в производстве . Например, при обработке металлов давлением трение увеличивает износ инструмента и увеличивает мощность, необходимую для обработки детали. Это приводит к увеличению затрат из-за более частой замены инструмента, потери допуска при изменении размеров инструмента и увеличения усилий, необходимых для придания формы детали.

Использование смазочных материалов, которые сводят к минимуму прямой контакт с поверхностью, снижает износ инструмента и требования к мощности. Также необходимо знать влияние производства: все методы производства оставляют уникальный отпечаток системы (т. е. топографию поверхности ), который будет влиять на трибоконтакт (например, образование смазочной пленки).

Исследования

Поля

Трибология открытой системы – контакт колеса с рельсом зимой

Трибологические исследования варьируются от макро- до нано- масштабов в таких разнообразных областях, как движение континентальных плит и ледников до передвижения животных и насекомых. Исследования в области трибологии традиционно концентрируются в транспортном и производственном секторах, но сейчас они значительно диверсифицировались. Исследования в области трибологии можно условно разделить на следующие области (с некоторым совпадением):

• Классическая трибология занимается трением и износом элементов машин (таких как подшипники качения , шестерни , подшипники скольжения , тормоза , сцепления , колеса и жидкостные подшипники ), а также производственными процессами (например, формовка металлов ).
• Биотрибология изучает трение , износ и смазку в биологических системах. Эта область приобретает все большее значение по мере увеличения продолжительности жизни человека. Тазобедренный и коленный суставы человека являются типичными биотрибологическими системами.
• Зеленая трибология направлена ​​на минимизацию воздействия трибологических систем на окружающую среду на протяжении всего их жизненного цикла . В частности, зеленая трибология направлена ​​на снижение трибологических потерь (например, трения и износа ) с использованием технологий с минимальным воздействием на окружающую среду. В этом отличие от традиционной трибологии, где средства снижения трибологических потерь не оцениваются комплексно.
• Геотрибология изучает трение, износ и смазку геологических систем, таких как ледники и разломы .
• Нанотрибология изучает трибологические явления в наноскопических масштабах . Эта область становится все более важной по мере того, как устройства становятся меньше (например, микро/наноэлектромеханические системы, MEMS / NEMS ), а исследованиям способствовало изобретение атомно-силовой микроскопии .
• Вычислительная трибология направлена ​​на моделирование поведения трибологических систем посредством мультифизического моделирования, объединяя такие дисциплины, как контактная механика , механика разрушения и вычислительная гидродинамика .
• Космическая трибология изучает трибологические системы, способные работать в экстремальных условиях космического пространства . В частности, для этого необходимы смазочные материалы с низким давлением паров , способные выдерживать экстремальные колебания температуры.
• Трибология открытых систем изучает трибологические системы, которые подвергаются воздействию природной среды и подвергаются ее воздействию .
• Трибоинформатика — это применение методов искусственного интеллекта , машинного обучения и больших данных к трибологическим системам.

В последнее время интенсивные исследования сверхсмазывающей способности (феномена исчезновения трения) начались в связи с растущим спросом на экономию энергии. Кроме того, разработка новых материалов, таких как графен и ионные жидкости , позволяет найти принципиально новые подходы к решению трибологических задач .

Общества

Основная статья: Список трибологических организаций

В настоящее время существует множество национальных и международных обществ, в том числе: Общество трибологов и инженеров по смазочным материалам (STLE) в США, Институт инженеров-механиков и Институт физики (IMechE Tribology Group, IOP Tribology Group) в Великобритании, Немецкое общество по трибологии (Gesellschaft für Tribologie), Корейское общество трибологии (KTS), Малазийское общество трибологии (MYTRIBOS), Японское общество трибологов (JAST), Индийское общество трибологии (TSI), Китайское общество машиностроения (Китайская трибология) Институт) и Международный совет по трибологии.

подход

Трибологические исследования носят преимущественно эмпирический характер, что объясняется огромным количеством параметров, влияющих на трение и износ в трибологических контактах. Таким образом, большинство областей исследований в значительной степени полагаются на использование стандартизированных трибометров и процедур испытаний, а также испытательных стендов на уровне компонентов.

См. также

• Противоизносная присадка – присадки к смазочным материалам, предотвращающие контакт металла с металлом.
• Подшипник — механизм, ограничивающий относительное движение желаемым движением и уменьшающий трение.
• Холодная сварка - процесс сварки, при котором соединение происходит без плавления или нагрева поверхности раздела.
• Контактная механика - Исследование деформации твердых тел, соприкасающихся друг с другом.
• Фреттинг – износ или повреждение нагруженных поверхностей.
• Трение – сила, противодействующая скольжению.
• Модификатор трения – смазочная присадка для снижения трения и износа.
• Истирание - форма износа, вызванная сцеплением между поверхностями скольжения.
• Леонардо да Винчи – эрудит итальянского Возрождения (1452–1519).
• Список трибологических организаций
• Смазка – вещество, введенное для уменьшения трения между поверхностями, находящимися в взаимном контакте.
• Смазка – наличие материала, уменьшающего трение между двумя поверхностями.
• Масляная присадка – химические соединения, улучшающие смазочные характеристики базового масла.
• Анализ масла - Лабораторный анализ свойств и загрязнений смазочных материалов на масляной основе.
• Питер Йост – британский инженер-механик (1921–2016)
• Контактная усталость при качении. Механизм деформации.
• Склерометр - прибор, используемый для измерения твердости материала.
• Космическая трибология - Трибологические системы для применения в космических кораблях.
• Наука о поверхности - Исследование физических и химических явлений, происходящих на границе двух фаз.
• Трибокоррозия – разрушение материала из-за коррозии и износа.
• Трибометр - прибор, измеряющий трение и износ между поверхностями.
• Износ – повреждение, постепенное удаление или деформация материала на твердых поверхностях.
• Дитиофосфат цинка – присадка к смазочным материалам

Внешние ссылки

• Бернхард, Адриенн (7 апреля 2020 г.). «Как малоизвестная наука о растирании построила прошлое и сформирует будущее» . Популярная механика . Архивировано из оригинала 8 апреля 2020 года . Проверено 6 июня 2022 г. {{cite magazine}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )