Трибология

Трибология - это наука и инженерия понимания фрикционных явлений , смазки и износа для взаимодействующих поверхностей в относительном движении . Он очень междисциплинарный, опирающийся на многие академические области, включая физику , химию , материалон , математику , биологию и инженерию . Фундаментальными объектами обучения в трибологии являются трибосистемы , которые являются физическими системами контактных поверхностей. Подполя трибологии включают биотрибологию , нанотрибологию и космическую трибологию . Это также связано с другими областями, такими как сочетание коррозии и трибологии в трибокоррозии и контактной механикой того, как поверхности в контактных деформации. Приблизительно 20% от общего расхода энергии мира связано с воздействием трения и износа в секторах транспортировки, производства, выработки электроэнергии и жилых помещений.

В этом разделе будет представлен обзор трибологии, ссылки на многие из более специализированных областей.

Этимология

Слово трибология происходит от греческого корня τριβ -глагола τρίβω , tribo , «я втираю» в классическом греческом языке, а суффикс -логика от -λογία , -logia »исследования« знание ». Питер Йост придумал слово в 1966 году, В одноименном отчете, который подчеркивал стоимость трения , износа и коррозии экономике Великобритании.

История

Трибологические эксперименты, предложенные Леонардо да Винчи

Ранняя история

Несмотря на относительно недавнее название области трибологии, количественные исследования трения могут быть прослежены еще в 1493 году, когда Леонардо да Винчи впервые отметил два фундаментальных «закона» трения . Согласно Леонардо, сопротивление трения было одинаковым для двух разных объектов одинакового веса, но установление контакта по разным ширине и длине. Он также заметил, что сила должна преодолеть удваивание трения в удвоении веса. Тем не менее, выводы Леонардо остались неопубликованными в его записных книжках.

Два фундаментальных «закона» трения были впервые опубликованы (в 1699 году) Гийомом Амонтоном , с именем которого они теперь обычно связаны. Они утверждают, что:

• Сила трения, действующая между двумя раздвижными поверхностями, пропорциональна нагрузке, прижимая поверхности
• Сила трения не зависит от кажущейся области контакта между двумя поверхностями.

Хотя эти простые утверждения не повсеместно применимы, для удивительно широкого диапазона систем. Эти законы были дополнительно разработаны Чарльзом-Огустином де Кулоном (в 1785 году), который заметил, что статическая сила трения может зависеть от времени контакта, а скользящее (кинетическое) трение может зависеть от скорости скольжения, нормальной силы и площади контакта.

В 1798 году Чарльз Хэтчетт и Генри Кавендиш провели первое надежное тест на износ трения . В исследовании, заказанном в Тайном совете Великобритании , они использовали простую поршневую машину для оценки износа уровня золотых монет . Они обнаружили, что монеты с зернистостью между ними носили более высокую скорость по сравнению с самооценками монет. В 1860 году Теодор Рей Предложенная гипотеза Рейя . В 1953 году Джон Фредерик Архард разработал уравнение Архарда , которое описывает скользящий износ и основан на теории контакта с острым .

Другими пионерами исследований трибологии являются австралийский физик Фрэнк Филип Боуден и британский физик Дэвид Табор , Оба Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете. Вместе они написали основополагающий учебник « Трение и смазка твердых веществ (Часть I первоначально опубликована в 1950 году и часть II в 1964 году). Майкл Дж. Нил был еще одним лидером в этой области в середине до конца 1900-х годов. Он специализировался на решении проблем в дизайне машины, применяя свои знания о трибологии. Нила уважали как педагог с даром для интеграции теоретической работы с его собственным практическим опытом для создания простых для понимания руководств по дизайну. Руководство по трибологии , который он впервые отредактировал в 1973 году и обновлен в 1995 году, все еще используется по всему миру и составляет основу многочисленных учебных курсов для инженерных дизайнеров.

Дункан Доусон обследовал историю трибологии в своей книге «История трибологии» 1997 года (2 -е издание). Это охватывает события от предыстории, за счет ранних цивилизаций ( Месопотамия , Древний Египет ) и подчеркивает ключевые события до конца двадцатого века.

Отчет JOST

Термин «трибология» стал широко использоваться после отчета JOST , опубликованного в 1966 году. В отчете подчеркивалась огромная стоимость трения, износа и коррозии для экономики Великобритании (1,1–1,4% ВВП ). В результате правительство Великобритании создало несколько национальных центров для решения трибологических проблем. С тех пор этот термин распространился на международное сообщество, и многие специалисты теперь идентифицируют себя как «трибологи».

Значение

Несмотря на значительные исследования после отчета JOST, глобальное влияние трения и износа на потребление энергии , экономические расходы и выбросы углекислого газа все еще являются значительными. В 2017 году Кеннет Холмберг и Али Эрдемир попытались количественно оценить их влияние во всем мире. Они рассмотрели четыре основных сектора, потребляющих энергетики: транспорт , производство , производство электроэнергии и жилой . Следующее было завершено:

• В общей сложности ~ 23% потребления энергии в мире происходит от трибологических контактов. Из этого 20%-преодолеть трение и 3%, чтобы восстановить изношенные детали и запасное оборудование из-за износа и износа.
• Воспользовавшись новыми технологиями для снижения трения и защиты от износа, потери энергии из -за трения и износа в транспортных средствах, машин и другого оборудования по всему миру могут быть сокращены на 40% в долгосрочной перспективе (15 лет) и 18% в краткосрочной перспективе (8 лет). В глобальном масштабе эти сбережения будут составлять 1,4% ВВП в год и 8,7% от общего потребления энергии в долгосрочной перспективе.
• Самая большая краткосрочная экономия энергии предусмотрена в транспорте (25%) и в производстве электроэнергии (20%), в то время как потенциальная экономия в производственном и жилом секторах оценивается в ~ 10%. В долгосрочной перспективе экономия составит 55%, 40%, 25%и 20%соответственно.
• Реализация передовых трибологических технологий может также сократить глобальные выбросы углекислого газа на 4460 млн. Тонн эквивалента углекислого газа (MTCO ₂ ) и приводит к экономии затрат на 450 000 млн. Евро в краткосрочной перспективе. В долгосрочной перспективе сокращение может составить 3140 МТКО ₂ , а экономия затрат - 970 000 млн. Евро.

Классическая трибология, охватывающая такие применения, как шариковые подшипники, шестерни, сцепления, тормоза и т. Д. Были разработаны в контексте машиностроения. Но за последние десятилетия трибология расширилась до качественных новых областей применения, в частности, микро- и нанотехнологии, а также биологии и медицины.

Фундаментальные концепции

Племена

Основная статья: Трибосистема

Концепция Tribosystems используется для проведения подробной оценки соответствующих входов, выходов и убытков для трибологических систем. Знание этих параметров позволяет трибологам разработать процедуры тестирования для трибологических систем.

Трибофильм

Основная статья: Трибофильм

Трибофильмы - это тонкие пленки, которые образуются на трибологически стрессовых поверхностях. Они играют важную роль в уменьшении трения и износа в трибологических системах.

Кривая Стрибека

Основная статья: Кривая Стрибека

показывает Кривая Stribeck , как трение в контактах с жидкой смазкой является нелинейной функцией вязкости смазок , скорости увлечения и контактной нагрузки.

Физика

Трение

Основная статья: трение

Слово трение происходит от латинской «трения», что означает трение. Этот термин используется для описания всех этих диссипативных явлений, способных производить тепло и противостоять относительному движению между двумя поверхностями. Есть два основных типа трения:

Статическое трение

Который происходит между поверхностями в фиксированном состоянии или относительно стационарно.

Динамическое трение

Который происходит между поверхностями в относительном движении.

Изучение явлений трения является преимущественно эмпирическим исследованием и не позволяет достигать точных результатов, но только к полезным приблизительным выводам. Эта неспособность получить определенный результат обусловлена ​​чрезвычайной сложностью явления. Если он изучается более внимательно, он представляет новые элементы, которые, в свою очередь, делают глобальное описание еще более сложным.

Законы трения

Все теории и исследования трения могут быть упрощены в три основных закона, которые в большинстве случаев действительны:

Первый закон Амонтонов

Сила трения прямо пропорциональна нормальной нагрузке.

Второй закон Амонтонов

Трение не зависит от кажущейся области контакта.

Третий закон кулонов

Динамическое трение не зависит от относительной скорости скольжения.

Позже Кулон обнаружил отклонения от законов Амонтонов в некоторых случаях. В системах со значительными неравномерными областями стресса законы Амонтонов не выполняются макроскопически, потому что локальное скольжение происходит до того, как вся система скользит.

Статическое трение

Рассмотрим блок определенной массы M, расположенный в тихом положении на горизонтальной плоскости. Если вы хотите переместить блок, внешняя сила ${\vec {F}}_{out}$ Должен быть применен, таким образом, мы наблюдаем определенное сопротивление движению, данное силой, равным и противоположным приложенной силе, которая является именно статической силой трения ${\vec {F}}_{s.f.}$.

Непрерывно увеличивая приложенную силу, мы получаем значение, так что блок начинается мгновенно для перемещения. На этом этапе также с учетом первых двух законов о трениях, указанных выше, можно определить статическую силу трения как силу, равную в модуле минимальной силе, необходимой для того, чтобы вызвать движение блока, и коэффициент статического трения $\mu$ В качестве отношения статической силы трения ${\vec {F}}_{s.f.}$Полем и нормальная сила в блоке ${\vec {N}}$, получение $${\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}$$

Динамическое трение

После того, как блок был приведен в движение, блок испытывает силу трения с меньшей интенсивностью, чем статическая сила трения ${\vec {F}}_{s.f.}$Полем Сила трения во время относительного движения известна как динамическая сила трения ${\vec {F}}_{d.f.}$Полем В этом случае необходимо принять во внимание не только первые два закона амонтонов, но и закон кулонов ${\vec {F}}_{d.f.}$, коэффициент динамического трения k , а нормальная сила N - следующее: $$\left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}$$

Статический и динамический коэффициент трения

Динамический и статический коэффициент

На этом этапе можно обобщить основные свойства статических коэффициентов трения $\mu$ И динамичный $k$.

Эти коэффициенты являются безразмерными величинами, заданные по отношению между интенсивностью силы трения ${\vec {F}}_{f}$и интенсивность приложенной нагрузки ${\vec {W}}$, в зависимости от типа поверхностей, которые участвуют во взаимном контакте, и в любом случае условие всегда действительнее, так что: $\mu >k$.

Обычно значение обоих коэффициентов не превышает единицу и может считаться постоянным только в пределах определенных диапазонов сил и скоростей, за пределами которых существуют экстремальные условия, которые изменяют эти коэффициенты и переменные.

В системах со значительными неравномерными полями напряжений макроскопический коэффициент статического трения зависит от внешнего давления, размера системы или формы, поскольку локальное скольжение происходит до того, как система скользит.

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

Таблица статических и динамических коэффициентов трения наиболее используется

Контактные поверхности	Статическое трение	Динамическое трение
Вуд -дерево	0.25–0.5	0.2
Деревянная доска	0.32	0.23
Ice -ice	0.1	0.02
Scioled Wood Ski -Snow	0.04	0.04
Стекло - Гласс	0.9–1.0	0.4
Стали стали (гладкий)	0.6	0.6
Стали стали (смазка)	0.09	0.05
Сталь -ий	0.1	0.05
Сталь -печать (сухой)	0.78	0.42
Сталь -алюминий	0.61	0.47
Сталь -мрачка	0.51	0.44
Сталь -воздух	0.001	0.001
Сталь -Тефлон	0.04	0.04
Тефлон -Тефлон	0.04	0.04
Резиновый (сухой)	1.0	0.8
Резиновый (влажный)	0.7	0.5
Медный стал	0.53	0.36
Медь -глис	0.68	0.53
Синовиальные суставы	0.01	0.003

Катание на трение

катание на трение

В случае тел, способных к прокатке, существует особый тип трения, при котором явление скольжения, типичное для динамического трения, не происходит, но существует также сила, которая противостоит движению, которое также исключает случай статического трение. Этот тип трения называется катящимся трением. Теперь мы хотим подробно заметить, что происходит с колесом, которое катится на горизонтальной плоскости. Первоначально колесо неподвижно, а силы, действующие на него $m{\vec {g}}$ и нормальная сила ${\vec {N}}$дано ответом на вес пола.

В этот момент колесо приводится в движение, вызывая смещение в точке применения нормальной силы, которая теперь применяется перед центром колеса, на расстоянии B , которое равна значению катания коэффициент. Оппозиция движению вызвана разделением нормальной силы и силой веса в тот момент, когда начинается прокатка, поэтому значение крутящего момента, данного силой трения катания $${{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}$$То, что происходит подробно на микроскопическом уровне между колесом и опорной поверхностью, описано на рисунке, где можно наблюдать, каково поведение сил реакции деформированной плоскости, действующей на неподвижном колесе.

Прокатывая колесо непрерывно вызывает незаметные деформации плоскости и, когда -то передаваемой в последующую точку, плоскость возвращается к своему начальному состоянию. В фазе сжатия плоскость противостоит движению колеса, в то время как в фазе декомпрессии она обеспечивает положительный вклад в движение.

Сила катящегося трения зависит, следовательно, от небольших деформаций, пострадавших от опорной поверхности и самого колеса, и может быть выражена как $|{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|$, где можно выразить B по отношению к коэффициенту скольжения трения $\mu$ как ${\textstyle b={\mu v \over r}}$, с R радиус колеса.

Поверхности

Будучи еще глубже, можно изучить не только самую внешнюю поверхность металла, но и сразу же более внутренние состояния, связанные с историей металла, его композицией и производственными процессами, подвергшимися последним.

можно разделить металл на четыре разных слоя:

1. Кристаллическая структура - основная структура металла, объемная внутренняя форма;
2. Обработанный слой - слой, который также может иметь включения постороннего материала и который вытекает из процессов обработки, которым был подвергнут металл;
3. Затвердевший слой - имеет кристаллическую структуру большей твердости, чем внутренние слои, благодаря быстрому охлаждению, которому они подвергаются в рабочих процессах;
4. Внешний слой или слой оксида - слой, который создается из -за химического взаимодействия с окружающей средой металла и от осаждения примесей.

Слой оксидов и примесей (третье тело) имеет фундаментальное трибологическое значение, на самом деле он обычно способствует уменьшению трения. Еще один факт фундаментального значения, касающегося оксидов, заключается в том, что если бы вы могли очистить и сгладить поверхность, чтобы получить чистую «металлическую поверхность», то, что мы бы наблюдали, - это объединение двух поверхностей в контакте. Фактически, в отсутствие тонких слоев загрязняющих веществ, атомы рассматриваемого металла не способны отличить одно тело от другого, тем самым собирая одно тело, если поставить в контакт.

Происхождение трения

Контакт между поверхностями состоит из большого количества микроскопических областей, в литературе, называемой грязными или соединениями контакта, где происходит контакт с атомом к атом. Феномен трения и, следовательно, рассеяния энергии связано именно с деформациями, которые проходят такие области из -за нагрузки и относительного движения. Могут наблюдаться пластиковые, упругие или разрыв деформации:

• Пластические деформации - постоянные деформации формы ударов;
• Упругие деформации - деформации, в которых энергия, затрачиваемая на фазе сжатия, почти полностью восстанавливается в фазе декомпрессии (эластичный гистерезис);
• Разрыв деформации - деформации, которые приводят к разрушению ударов и созданию новых контактных областей.

Энергия, которая рассеивается во время явления, преобразуется в тепло, тем самым повышая температуру поверхностей в контакте. Повышение температуры также зависит от относительной скорости и шероховатости материала, оно может быть настолько высоким, что даже привести к слиянию задействованных материалов.

При явлениях трения температура является фундаментальной во многих областях применения. Например, повышение температуры может привести к резкому снижению коэффициента трения и, следовательно, к эффективности тормозов.

Теория сплоченности

Теория адгезии утверждает, что в случае сферических неровностей в контакте друг с другом подвергается ${\vec {W}}$ Нагрузка, наблюдается деформация, которая, по мере увеличения нагрузки, переходит от эластичной до пластической деформации. Это явление включает в себя увеличение реальной области контакта $A_{r}$, что по этой причине может быть выражено как: $$A_{r}={{\vec {W}} \over D}$$где D является твердостью материала, определяемой как приложенная нагрузка, деленная на область контактной поверхности.

Если в этот момент между ними скользят две поверхности, наблюдается сопротивление напряжению сдвига T , определяемое наличием клея $${\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}$$На этом этапе, поскольку коэффициент трения является соотношение между интенсивностью силы трения и приложенной нагрузки, можно сказать, что $$\mu ={t \over D}$$Таким образом, относящиеся к двум свойствам материала: прочность на сдвиг T и твердость. Чтобы получить коэффициенты трения с низкой стоимостью $\mu$ Можно прибегнуть к материалам, которые требуют меньшего напряжения сдвига, но которые также очень сложны. На самом деле, в случае смазков мы используем субстрат материала с низким напряжением резания T , расположенный на очень твердом материале.

Сила, действующая между двумя твердыми веществами в контакте, будет иметь не только нормальные компоненты, как подразумевалось до сих пор, но также будет иметь тангенциальные компоненты. Это дополнительно усложняет описание взаимодействия между шероховатой, потому что из -за этой тангенциальной компонентной пластической деформации поставляется с более низкой нагрузкой, чем при игнорировании этого компонента. Тогда более реалистичное описание области каждого созданного соединения дается $${A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}$$с $\alpha$ постоянная и «касательная» сила ${\vec {F}}_{i}$ применяется к суставу.

Чтобы получить еще более реалистичные соображения, следует также рассмотреть явление третьего тела , то есть наличие посторонних материалов, таких как влага, оксиды или смазочные материалы, между двумя твердыми веществами в контакте. Затем вводится коэффициент C, который способен коррелировать прочность на сдвиг t чистого «материала» и от третьего тела $t_{t.b.}$$$t=c\cdot t_{t.b.}$$с 0 < c <1.

Изучая поведение в пределах, это будет так, что для c = 0, t = 0 и для c = 1 он возвращается к состоянию, при котором поверхности находятся непосредственно в контакте, и присутствие третьего тела нет. Имея в виду, что только что было сказано, можно исправить формулу коэффициента трения следующим образом: $$\mu ={\frac {c}{[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}$$В заключение рассматривается случай упругого тела во взаимодействии друг с другом.

Подобно тому, что мы только что видели, можно определить уравнение типа $$A=K{\vec {W}}$$Где, в этом случае, K зависит от упругих свойств материалов. Также для упругих тел тангенциальная сила зависит от коэффициента C, видимого выше, и это будет $${\vec {F}}_{T}=cAs$$и, следовательно, можно получить довольно исчерпывающее описание коэффициента трения $$\mu =cKs$$

Измерения трения

Самый простой и наиболее непосредственный метод оценки коэффициента трения двух поверхностей - это использование наклонной плоскости, на которой можно скользить блок материала. Как видно на рисунке, нормальная сила плоскости определяется $mg\cos \theta$, в то время как сила трения равна $mg\sin \theta$Полем Это позволяет нам указать, что коэффициент трения может быть рассчитана очень легко, посредством касательной под углом, в котором блок 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 из наклонной плоскости мы перешли к более сложным системам, которые позволяют нам рассмотреть все возможные условия окружающей среды, в которых проводится измерение, такие как трансмиссионный аппарат или штифт и дисковый аппарат. Сегодня существуют цифровые машины, такие как «тестер трения», которые с помощью программной поддержки позволяют вставить все желаемые переменные. Другим широко используемым процессом является тест на сжатие кольца. Плоское кольцо исследуемого материала пластически деформируется с помощью пресса, если деформация является расширением как во внутреннем, так и во внешнем круге, то будут иметь низкие или нулевые коэффициенты трения. В противном случае для деформации, которая расширяется только во внутреннем круге, будет увеличиваться коэффициенты трения.

Смазка

Основная статья: Смазка

Чтобы уменьшить трение между поверхностями и держать износ под контролем, материалы, называемые смазочными материалами . используются В отличие от того, что вы можете подумать, это не просто масла или жиры, но и любой жидкий материал, который характеризуется вязкостью, такими как воздух и вода. Конечно, некоторые смазочные материалы более подходящие, чем другие, в зависимости от типа использования, которые они предназначены для: например: воздух и вода доступны, но первое может использоваться только в условиях ограниченной нагрузки и скорости, в то время как во -вторых может способствовать износу материалов.

То, что мы пытаемся достичь с помощью этих материалов, является идеальной смазкой жидкости или смазкой, так что можно избежать прямого контакта между рассматриваемыми поверхностями, вставляя смазочную пленку между ними. Для этого есть две возможности, в зависимости от типа применения, затрат на рассмотрение и уровень «совершенства» смазки, желающего достичь, существует выбор между:

• Флюидостатическая смазка (или гидростатическая в случае минеральных масел), которая состоит из введения смазочного материала под давлением между поверхностями в контакте;
• Смазка жидкости (или гидродинамика), которая состоит в использовании относительного движения между поверхностями, чтобы проникнуть в смазывающий материал.

Вязкость

Основная статья: вязкость

Вязкость является эквивалентом трения в жидкостях, на самом деле описывается способность жидкостей сопротивляться силам, которые вызывают изменение формы.

Благодаря исследованиям Ньютона было достигнуто более глубокое понимание этого явления. На самом деле он представил концепцию ламинарного потока : «поток, в котором скорость изменяется от слоя на слой». В идеале можно разделить жидкость между двумя поверхностями ( $S_{1}$, $S_{2}$) области A, в различных слоях.

Слой в контакте с поверхностью $S_{2}$, который перемещается со скоростью V из -за приложенной силы F , будет иметь такую ​​же скорость, что и v плиты, в то время как каждый сразу после слоя изменяется эта скорость количества DV , вплоть до слоя в контакте с неподвижной поверхностью $S_{1}$, который будет иметь нулевую скорость.

Из того, что было сказано, можно указать, что сила F , необходимая для того, чтобы вызвать движение в жидкости, содержащуюся между двумя пластинами, пропорциональна площади двух поверхностей и градиенту скорости: $$F\propto A{dv \over dy}$$На этом этапе мы можем представить пропорциональную постоянную $\mu$, что соответствует коэффициенту динамической вязкости жидкости, чтобы получить следующее уравнение, известное как закон Ньютона $$F=\mu A{dv \over dy}$$Скорость варьируется на одинаковом количестве DV слоя в слое, а затем возникает состояние, так что DV / DY = V / L , где L - расстояние между поверхностями $S_{1}$ и $S_{2}$, а затем мы можем упростить уравнение, написав $$F=\mu A{v \over L}$$Вязкость $\mu$ является высоким содержанием жидкостей, которые сильно противостоят движению, в то время как оно содержится для жидкостей, которые легко текут.

Таблица коэффициентов вязкости μ для некоторых жидкостей

Жидкость	М (PA ⋅ S)
CO 2	1.5 ⋅ 10 −5
Воздух	1.8 ⋅ 10 −5
Бензин	2.9 ⋅ 10 −4
Вода (90 ° С)	0.32 ⋅ 10 −3
Вода (20 ° C)	1.0 ⋅ 10 −3
Кровь (37 ° C)	4.0 ⋅ 10 −3
Масло (20 ° C)	0.03
Масло (0 ° C)	0.11
Глицерин	1.5

Чтобы определить, какой поток находится в исследовании, мы наблюдаем его номер Рейнольдса $$Re={{\rho Lv} \over \mu }$$Это постоянная, которая зависит от массы жидкости $\rho$ жидкости, на его вязкости $\mu$ и на диаметре L трубки, в которой течет жидкость. Если число Рейнольдса относительно низкое, то есть ламинарный поток, тогда как для $Re\simeq 2000$ Поток становится турбулентным.

В заключение мы хотим подчеркнуть, что можно разделить жидкости на два типа в соответствии с их вязкостью:

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

Вязкость как функция температуры и давления

Температура и давление являются двумя фундаментальными факторами для оценки при выборе смазки вместо другого. Рассмотрим влияние температуры изначально.

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

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

Чтобы классифицировать различные смазочные материалы в соответствии с их поведением вязкости как функции температуры, в 1929 году Дин и Дэвис ввели индекс вязкости (VI). Затем присваивали лучшую смазку, а именно масло Пенсильвании, индекс вязкости 100 и, в худшем случае, американская нефть побережья Мексиканского залива, значение 0. Чтобы определить значение промежуточного нефтяного индекса, следующая процедура является следующей процедурой. Используется: два эталонных масла выбираются таким образом, чтобы рассматриваемое масло имело одинаковую вязкость при 100 ° C, а следующее уравнение используется для определения индекса вязкости $$V.I.={{L-O_{\text{Test}}} \over {L-H}}\times 100$$Этот процесс имеет некоторые недостатки:

• Для смесей масел результаты не являются точными;
• Нет информации, если вы находитесь за пределами фиксированного диапазона температуры;
• С развитием технологий масла с VI более 100, которые не могут быть описаны приведенным выше методом.

В случае масла с VI выше 100 вы можете использовать другие отношения, которые позволяют вам 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 этом случае, h является вязкостью при 100 ° F (38 ° C) масла с vi = 100, а V - кинематическая вязкость исследуемого масла при 210 ° F (99 ° C).

Поэтому мы можем сказать, что в заключение, что повышение температуры приводит к снижению вязкости масла. Также полезно помнить, что таким же образом увеличение давления подразумевает увеличение вязкости. Чтобы оценить влияние давления на вязкость, используется следующее уравнение $$\mu =\mu _{0}\exp {(\alpha p)}$$где $\mu$ является ли коэффициент вязкости давления P, $\mu _{0}$ коэффициент вязкости при атмосферном давлении и $\alpha$ это постоянная, которая описывает взаимосвязь между вязкостью и давлением.

Меры вязкости

Чтобы определить вязкость жидкости, используются вискозиметры, которые можно разделить на 3 основные категории:

• Капиллярные вискозиметры, в которых вязкость жидкости измеряется путем скольжения в капиллярную трубку;
• Сплошные вискозиметры, в которых вязкость измеряется путем расчета скорости твердого вещества, которое движется в жидкости;
• Вращательные вискозиметры, в которых вязкость получается путем оценки потока жидкости, расположенного между двумя поверхностями в относительном движении.

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

Носить

Основная статья: Wear

Износ - это прогрессивное непроизвольное удаление материала с поверхности в относительном движении с другой или с жидкостью. Мы можем различить два разных типа износа: умеренный износ и тяжелый износ. Первый случай касается низких нагрузок и гладких поверхностей, в то время как второй касается значительно более высоких нагрузок и совместимых и грубых поверхностей, в которых процессы износа гораздо более жестоки. Износ играет фундаментальную роль в трибологических исследованиях, поскольку он вызывает изменения в форме компонентов, используемых при построении машин (например). Эти изношенные части должны быть заменены, и это влечет за собой как проблему экономического характера из -за стоимости замены, так и функциональной проблемы, поскольку, если эти компоненты не заменяются во времени, на машине может возникнуть более серьезный ущерб в его комплексе. Полем Это явление, однако, имеет не только негативные стороны, на самом деле, оно часто используется для снижения шероховатости некоторых материалов, устранения неровностей. Ошибочно мы склонны представлять износ в прямой корреляции с трением, в действительности эти два явления не могут быть легко связаны. Могут быть условия, так что низкое трение может привести к значительному износу и наоборот. Для того чтобы это явление произошло, требуется определенное время реализации, что может измениться в зависимости от некоторых переменных, таких как нагрузка, скорость, смазка и условия окружающей среды, и существуют различные механизмы износа, которые могут возникать одновременно или даже в сочетании друг с другом :

1. Клейкий износ;
2. Абразивный износ;
3. Усталость износ;
4. Коррозийный износ;
5. Потирая износ или страсть;
6. Эрозия износа;
7. Другие незначительные явления износа (износ путем удара, кавитация, износ, раскрытие износа).

Клейкий износ

Как известно, контакт между двумя поверхностями происходит через взаимодействие между неровностями. Если в зоне контакта применяется сила сдвига, может быть возможна отделить небольшую часть более слабого материала из -за его адгезии к более твердой поверхности. То, что описано, - это именно механизм клеянного износа, представленного на рисунке. Этот тип износа очень проблематичен, поскольку он включает в себя высокие скорости износа, но в то же время можно уменьшить адгезию за счет увеличения шероховатости поверхности и твердости задействованных поверхностей или вставки слоев загрязняющих веществ, таких как кислород, оксиды, вода, вода. , или масла. В заключение, поведение объема износа клея может быть описано с помощью трех основных законов

Закон 1 - Расстояние

Масса, связанная с износом, пропорциональна расстоянию, пройденному в растяжении между поверхностями.

Закон 2 - нагрузка

Масса, связанная с износом, пропорциональна приложенной нагрузке.

Закон 3 - Твердость

Масса, связанная с износом, обратно пропорциональна твердости менее твердого материала.

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

Абразивный износ

Абразивный износ состоит из усилий по резки твердых поверхностей, которые действуют на более мягких поверхностях и могут быть вызваны либо из-за шероховатости, которая в качестве кончиков отрезает материал, по которому они втирают (абразивный износ из двух тел), либо из частиц твердого материала, которые Включить между двумя поверхностями в относительном движении (абразивный износ из трех тел). На уровнях применения износ двух тел легко устраняется с помощью адекватной поверхности, в то время как износ из трех тел может вызвать серьезные проблемы и поэтому должен быть удален как можно больше с помощью подходящих фильтров, даже до взвешенного машины дизайн.

Усталость

Усталостный износ - это тип износа, вызванный альтернативными нагрузками, которые вызывают повторные силы местных контактов с течением времени, что, в свою очередь, приводит к ухудшению задействованных материалов. Самым непосредственным примером этого типа износа является пример расчески. Если вы снова и снова скользите пальцем по зубам гребня, наблюдается, что в какой -то момент один или несколько зубов расчески отрываются. Это явление может привести к разрыву поверхностей из -за механических или тепловых причин. Первый случай - это описанный выше, в котором повторная нагрузка вызывает высокие контактные напряжения. Второй случай, однако, вызван тепловым расширением материалов, участвующих в процессе. Поэтому, чтобы уменьшить этот тип износа, полезно попытаться уменьшить как контактные силы, так и термический цикл, то есть частота, с которой вмешиваются различные температуры. Для оптимальных результатов также хорошо устранить, насколько это возможно, примеси между поверхностями, местными дефектами и включениями иностранных материалов в участвующие тела.

Коррозийный износ

Коррозивный износ происходит в присутствии металлов, которые окисляют или коррозируют. Когда поверхности чистого металла вступают в контакт с окружающей средой, на их поверхностях создаются оксидные пленки из -за загрязняющих веществ, присутствующих в самой среде, таких как вода, кислород или кислоты. Эти пленки постоянно удаляются из механизмов абразивного и клейкого износа, постоянно воссозданных чистыми металлическими взаимодействиями. Очевидно, что этот тип износа может быть уменьшен, пытаясь создать «специальную» среду, свободную от загрязняющих веществ и разумных до минимальных тепловых изменений. Коррозивный износ также может быть положительным в некоторых приложениях. Фактически, создаются оксиды, способствуют уменьшению коэффициента трения между поверхностями или, будучи во многих случаях сложнее, чем металл, к которому они принадлежат, могут использоваться в качестве превосходных абразивов.

Растирание или наводнение

Износ втирания происходит в системах, подверженных более или менее интенсивным вибрациям, которые вызывают относительные движения между поверхностями в контакте в порядке нанометров. Эти микроскопические относительные движения вызывают как клейкий износ, вызванный самим смещением, так и абразивным износом, вызванным частицами, полученными в клейкой фазе, которые остаются захваченными между поверхностями. Этот тип износа может быть ускорен в результате присутствия коррозионных веществ и повышения температуры.

Эрозия

Эрозия износ происходит, когда свободные частицы, которые могут быть твердыми или жидкими, попадают в поверхность, вызывая истирание. Вовлеченные механизмы имеют различные виды и зависят от определенных параметров, таких как угол воздействия, размер частиц, скорость удара и материал, из которых составлены частицы.

Факторы, влияющие на износ

Среди основных факторов, влияющих на износ, мы находим

• Твердость
• Взаимная растворимость
• Кристаллическая структура

Было подтверждено, что чем сложнее материал, тем больше он уменьшается. Точно так же, чем меньше двух материалов являются взаимно растворимыми, тем больше износ имеет тенденцию к уменьшению. Наконец, что касается кристаллической структуры, можно сказать, что некоторые структуры более подходят для сопротивления износу других, таких как гексагональная структура с компактным распределением, которое может деформироваться только путем скольжения вдоль базовых плоскостей.

Скорость износа

Чтобы обеспечить оценку повреждения, вызванного износом, мы используем безразмерный коэффициент, называемый скоростью износа, приведенным в соответствии с соотношением между изменением высоты тела $\Delta h$ и длина относительного скольжения $\Delta l$. $$T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}$$Этот коэффициент позволяет подразделения, в зависимости от его размера, ущерб, понесенный различными материалами в различных ситуациях, переходящих от скромной степени износа до среды до определенной степени сильного износа.

Сорт	T Usury	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, чтобы выразить объем износа V, можно использовать уравнение Холма

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

где w / h представляет реальную область контакта, l длины пройденного расстояния и k и $k_{a}$ являются экспериментальными факторами.

Износить измерение

В экспериментальных измерениях материала износа часто необходимо воссоздать довольно небольшие скорости износа и ускорить время. Явления, которые на самом деле развиваются после многих лет, в лаборатории должны происходить через несколько дней. Первая оценка процессов износа представляет собой визуальный осмотр поверхностного профиля тела в исследовании, включая сравнение до и после возникновения явления износа. В этом первом анализе наблюдаются возможные изменения твердости и поверхностной геометрии материала. Другим методом исследования является метод радиоактивного индикатора, используемый для оценки износа на макроскопических уровнях. Один из двух материалов, связанных с контактом, участвующего в процессе износа, отмечен радиоактивным трассировкой. Таким образом, частицы этого материала, которые будут удалены, будут легко видны и доступны. Наконец, чтобы ускорить время износа, одним из самых известных методов является методики тестов на контакт с высоким давлением. В этом случае, чтобы получить желаемые результаты, достаточно применить нагрузку на очень уменьшенную область контакта.

Приложения

Транспорт и производство

Исторически исследование трибологии сосредоточилось на проектировании и эффективной смазке компонентов машин, особенно для подшипников . Тем не менее, изучение трибологии распространяется на большинство аспектов современных технологий и любой системы, где один материал скользит по другому, может повлиять сложные трибологические взаимодействия.

Традиционно исследование трибологии в транспортной промышленности было сосредоточено на надежности, обеспечивая безопасную, непрерывную работу машинных компонентов. В настоящее время из -за повышенного внимания к потреблению энергии эффективность становится все более важной, и, следовательно, смазки становятся все более сложными и сложными, чтобы достичь этого. Трибология также играет важную роль в производстве . Например, в операциях по формированию металла трение увеличивает износ инструмента и мощность, необходимую для работы. Это приводит к увеличению затрат из -за более частой замены инструмента, потери толерантности при сдвиге размеров инструмента и большей силы, необходимых для формирования кусочка.

Использование смазочных материалов, которые минимизируют прямой контакт с поверхностью, уменьшает износ инструмента и потребности в мощности. Также необходимо знать влияние производства, все методы производства оставляют уникальный системный отпечаток пальца (т.е. топография поверхности ), который будет влиять на трибоконтактное образование (например, образование пленки смазки).

Исследовать

Поля

Трибология открытой системы - контакт на колесах зимой

Исследования трибологии варьируются от макро до нано -шкал, в таких разнообразных областях, как движение континентальных пластин и ледников до локомоции животных и насекомых. Исследования трибологии традиционно сосредоточены на транспортных и производственных секторах, но это значительно диверсифицировано. Исследования трибологии могут быть свободно разделены на следующие поля (с некоторым перекрытием):

• Классическая трибология связана с трением и износом в элементах машин (таких как подшипники с элементами , передачами , простыми подшипниками , тормозами , сцеплениями , колесами и жидкими подшипниками ), а также производственными процессами (такими как формирование металлов ).
• Биотрибологические исследования трения , износа и смазки в биологических системах. Поле приобретает значение по мере увеличения ожидаемой продолжительности жизни человека. Человеческие бедра и коленные суставы являются типичными биотрибологическими системами.
• Зеленая трибология направлена ​​на минимизацию воздействия трибологических систем на окружающую среду на весь жизненный цикл . В частности, зеленая трибология направлена ​​на сокращение трибологических потерь (например, трение и износ ) с использованием технологий с минимальным воздействием на окружающую среду. Это в отличие от традиционной трибологии, где средства уменьшения трибологических потерь не целостно оцениваются.
• Геотрибологические исследования трения, износа и смазки геологических систем, таких как ледники и разломы .
• Нанотрибологические исследования Трибологические явления в наноскопических масштабах . Поле становится все более важным, поскольку устройства становятся меньше (например, микро / наноэлектромеханические системы, MEMS / NEMS ), и исследования помогают изобретению атомной силы микроскопии .
• Вычислительная трибология направлена ​​на то, чтобы моделировать поведение трибологических систем с помощью многофизического моделирования, объединяя такие дисциплины, как механика контакта , механика перелома и динамика вычислительной жидкости .
• Космические трибологические исследования Трибологические системы, которые могут работать в экстремальных условиях окружающей среды космического пространства . В частности, это требует смазков с низким давлением паров , которое может противостоять экстремальным колебаниям температуры.
• Трибологические системы открытой системы , которые подвергаются воздействию и влияют на природную среду .
• Triboinformatics - это применение искусственного интеллекта , машинного обучения и методов больших данных к трибологическим системам.

В последнее время интенсивные исследования сверхурубричности (явление исчезающих трения) вызвались из -за растущего спроса на экономию энергии. Кроме того, разработка новых материалов, таких как графен и ионные жидкости , позволяет основываться на новых подходах к решению трибологических проблем .

Общества

Основная статья: Список трибологических организаций

В настоящее время существует многочисленные национальные и международные общества, в том числе: Общество трибологов и инженеров смазывания (Stle) в США, Институт инженеров -механиков и института физики (Imeche Tribology Group, Tribology Group) в Великобритании, немецкое общество Для трибологии (Gesellschaft für Tribologie), Корейского общества трибологии (KTS), Малайзийского общества трибологии (Mytribos), Японского общества трибологов (Jast), Общество Трибологии Индии (TSI), Китайское инженерное общество (китайское трибология Институт) и Международный совет по трибологии.

Исследовательский подход

Исследования трибологии в основном эмпирические, что может быть объяснено огромным количеством параметров, которые влияют на трение и износ в трибологических контактах. Таким образом, большинство областей исследований в значительной степени полагаются на использование стандартизированных трибометров и испытательных процедур, а также испытательных установок на уровне компонентов.

Смотрите также

• Антиодальная добавка -добавки для смазочных материалов для предотвращения контакта с металлом до металла
• Подшипник - механизм ограничения относительного движения желаемым движением и уменьшения трения
• Холодная сварка - процесс сварки, в котором происходит соединение без плавления и нагревания границы раздела
• Контактная механика - изучение деформации твердых тел, которые трогают друг друга
• Фреттинг - износ или повреждение на загруженных поверхностях
• Трение - силовая сопротивление скользящего движения
• Модификатор трения - смазочная добавка для уменьшения трения и износа
• Жалка - форма износа, вызванная адгезией между скользящими поверхностями
• Леонардо да Винчи - Итальянский ренессанс Полимат (1452–1519)
• Список трибологических организаций
• Смазка - вещество, введенное для уменьшения трения между поверхностями во взаимном контакте
• Смазка - наличие материала для уменьшения трения между двумя поверхностями.
• Масляная добавка - химические соединения, которые улучшают характеристики смазки базового масла
• Анализ нефти - лабораторный анализ свойств и загрязняющих веществ на основе нефти на основе нефти
• Питер Йост - британский инженер -механик (1921–2016)
• Усталость контакта с контактом - механизм деформации
• Склерометр - прибор, используемый для измерения твердости материала
• Космическая трибология - трибологические системы для космических аппаратов
• Наука по поверхности - изучение физических и химических явлений, которые происходят на границе двух фаз
• Трибокоррозия - деградация материала из -за коррозии и износа.
• Трибометр - инструмент, который измеряет трение и износ между поверхностями
• Износ - повреждение, постепенное удаление или деформация материала на твердых поверхностях
• Цинк дитиофосфат - смазочная добавка

Внешние ссылки

• Бернхард, Эдриенн (7 апреля 2020 года). «Как неясная наука отирания построила прошлое и будет формировать будущее» . Популярная механика . Архивировано из оригинала 8 апреля 2020 года . Получено 6 июня 2022 года . {{cite magazine}}: Cs1 maint: непредвзятый URL ( ссылка )