Реферат: Триботехника

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Антифрикционные материалы – материалы, используемые для работы в несущих или направляющих узлах трения (подшипниках скольжения, радиальных и торцовых уплотнениях).

Фрикционные материалы – материалы, предназначенные или используемые для работы в узлах трения, передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс (в тормозах, муфтах, сцеплениях, демпферах, вариаторах и др.).

Присадка – вещество, добавляемое к смазочному материалу для придания ему новых свойств или усиления существующих.

Надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Этапы развития триботехники в России

Триботехника, как и другие науки, непрерывно развивается. Этапы ее развития связаны с созданием корабельной техники, металлообрабатывающей промышленности, железнодорожного транспорта, автомобильной промышленности, авиации и космонавтики.

В России основы науки о трении и изнашивании были заложены в период организации Российской академии наук. Великий ученый М. В. Ломоносов сконструировал прибор для исследования сцеплений между частицами тел «долгим стиранием», который явился прототипом современных приборов для определения износостойкости материалов. М. В. Ломоносов является основоположником теории изнашивания материалов и экспериментальных исследований в этой области, он связал понятие о прочности с представлениями о силах связи между частицами. Занимаясь подбором материалов для опор часовых механизмов, М. В. Ломоносов указал на целесообразность применения для этой цели стекла.

Крупный вклад в науку о трении внес Л. Эйлер. Выведенные им зависимости о трении гибкой нерастяжимой нити, перекинутой через шкив, до сих пор применяют во всем мире при расчете сил трения в элементах с гибкой связью.

Мировую известность получили работы Н. П. Петрова по теории смазки подшипников. Над проблемой смазки работали Н. Е. Жуковский и С. А. Чаплыгин, математически разработавшие вопрос о теории смазочного слоя (за границей над гидродинамической теорией смазки работали О. Рейнольдс, А. Кингсбери, Герси и др.).

Следует отметить, что в 1880-1881 годах Д. И. Менделеев разработал научные основы производства смазочных масел из мазута тяжелых кавказских нефтей.

В период развития индустрии в России широко развернулись работы в области триботехники. Большое влияние на развитие представлений о молекулярном механизме процессы внешнего трения оказали работы Б. В. Дерягина, предложившего в 1934 году свой вариант двучленного закона трения. Теория Б. В. Дерягина оказала большое влияние на все последующие попытки создания теории в любой современной теории по трибологии.

Первый обзор о развитии учения о трении и изнашивании в нашей стране был выполнен в 1947 году профессором Ленинградского политехнического института А. К. Зайцевым в книге «Основы учения о трении, износе и смазке машин». В 1956 году И. В. Крагельский и В. С. Щедров опубликовали монографию «Развитие науки о трении», в которой отмечают, что трение представляет собой сложную совокупность многих физических явлений, и раскрывают путь развития научной мысли в этом направлении с XVI века до 40-х годов XX столетия. Монография о трении без смазочного материала написана указанными авторами по первоисточникам с глубоким анализом русских и зарубежных работ и получила признание во многих странах.

В 1957 году в сборнике «Теоретические основы конструирования машин» М. М. Хрущев дал обзор о «Развитии учения об износостойкости деталей машин», в котором последовательно изложил развитие работ в области износостойкости по отдельным наиболее разработанным вопросам: развития представлений о причинах и процессах изнашивания: исследование влияния шероховатости обработанной поверхности деталей машин на износ металлов; исследование абразивного изнашивания и изнашивания при схватывании; методы испытания на изнашивание; антифрикционные материалы и методы расчета деталей машин на износ.

Весьма перспективна возможность значительного улучшения фрикционно-износных характеристик некоторых пар трения при граничной смазке за счет реализации эффекта избирательного переноса, открытого Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским в 1965 году. Следует отметить еще две работы отечественных трибологов, также удостоенных дипломами за открытия: эффекта аномально низкого трения при бомбардировке ядрами гелия некоторых материалов (А. А. Силин, М. А. Тальрозе, Е. А. Духовский и др.) и явления водородного изнашивания (А. А. Поляков, Д. Н. Гаркунов).

Б. И. Костецкий и его ученики в 1976 году в книге «Поверхностная прочность материалов при трении» обобщили работы по изучению процессов трения и поверхностного разрушения, а также по вопросам образования вторичных структур при трении в условиях граничной смазки.

На основе приведенных литературных источников, а также анализа опубликованных трудов конференций, семинаров и др. можно подразделить вопросы развития триботехники на следующие части, которые содержат самостоятельные этапы:

1) учение о трении и изнашивании деталей машин;

2) конструктивные решения вопросов трения и изнашивания;

3) технологические методы повышения износостойкости деталей;

4) эксплуатационные мероприятия по повышению долговечности машин.

Инженерно-технические проблемы триботехники

Наиболее актуальными инженерно-техническими проблемами в триботехнике на сегодняшний день являются следующие:

• экономика и триботехника;
• создание «безызносных» узлов трения машин;
• разработка методов расчета деталей на износ;
• защита деталей машин от водородного изнашивания;
• расширение применения финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) трущихся деталей;
• совершенствование смазывания деталей сочленений;
• исследование электрических, магнитных и вибрационных явлений при изнашивании;
• подготовка инженерных кадров по триботехнике;
• разработка новой теории трения и безызносности;
• триботехника, интересы здоровья и защиты окружающей среды;
• программа исследований водородного изнашивания и избирательного переноса;
• построение и реализация банка данных по триботехнике и единство терминов и определений в триботехнике;
• необычные условия работы машин и приборов;
• компьютерная трибология.

А также к проблемам триботехники можно отнести проблемы технического обновления различных отраслей машиностроения.

Проблема защиты деталей машин от водородного изнашивания

Важной задачей триботехники является разработка методов борьбы с водородным изнашиванием. Около 15 лет назад в Советском Союзе было экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление концентрации в поверхностных слоях трущихся деталей водорода, выделяющегося из материалов пары трения и из окружающей среды. Это явление вызывает ускорение изнашивания. Водородное изнашивание характеризуется интенсивным выделением водорода в результате трибодеструкции водородсодержащих материалов, ускоряемым механохимическим действием. Кроме того, оно характеризуется диффузией водорода в деформируемый слой стали и особым видом разрушения, связанным с одновременным появлением большого числа «зародышей» трещин во всей зоне деформирования, и упомянутым накапливанием водорода. Водородное изнашивание вносит новые представления о механизме хрупкого разрушения.

Защита от водородного изнашивания имеет особое значение для следующих отраслей:

• авиатехники (узлы трения топливных насосов, а также тормозные колодки и барабаны колес выходят из строя в результате водородного изнашивания);
• железнодорожного транспорта (водородному изнашиванию подвергаются рельсы и колеса вагонов);
• автомобильного транспорта (водородное изнашивание резко снижает срок службы цилиндров и поршневых колес двигателей, тормозных накладок, тормозных барабанов и дисков сцепления, а также лопаток бензиновых насосов и других деталей агрегатов автомобилей);
• морского флота (водородному изнашиванию подвергаются узлы трения, смазываемые водой);
• деревообрабатывающей промышленности (водородное изнашивание деревообрабатывающего инструмента и рабочих органов машин сдерживает рост производительности труда в отрасли);[1]
• техники Севера (одной из причин быстрого изнашивания машин, работающих на Севере, является охрупчивающее действие водорода, который при низких температурах не рассасывается в поверхностных слоях, а концентрируется между зоной трения и объемом материала трущейся детали вследствие значительного перепада температур);
• химического машиностроения (узлы трения машин и оборудования химической промышленности изнашиваются, главным образом, в результате действия водорода);
• техники будущего (в новых машинах расширяется применение титана и его сплавов; при трении эти материалы, обладая низкими антифрикционными свойствами, весьма сильно поглощают водород и подвергаются водородному изнашиванию).

При ведущейся в России и США широкой работе по созданию двигателей для автомобилей и самолетов на водородном топливе исследователи должны заранее принять меры защиты деталей от водородного изнашивания.

Проблема водородного изнашивания имеет комплексный межотраслевой характер, а поэтому требует привлечения к ее решению ученых различных специальностей (металловедов, физиков, химиков, специалистов по триботехнике), и должна выполняться по единому плану.

Проблема создания «безызносных» узлов трения машин

До последнего времени генеральным направлением по борьбе с изнашиванием в машиностроении было повышение твердости трущихся поверхностей детали. В промышленности разработано большое количество методов повышения твердости деталей (хромирование, азотирование, цементирование и т. д.). Многолетний опыт свидетельствует, что это направление позволило в большей степени повысить надежность трущихся деталей машин. Однако постоянное стремление к уменьшению массы машин и повышению интенсификации рабочих процессов привело к увеличению давлений в узлах машин и скоростей скольжения и ухудшило условия смазывания. Кроме того, требования к повышению КПД механизмов, а также применение специальных смазочных материалов и жидкостей привело к тому, что традиционные методы увеличения износостойкости деталей повышением их твердости во многих случаях перестали себя оправдывать. В процессе поиска средств увеличения износостойкости деталей машин в нашей стране открыт избирательный перенос при трении. Избирательный перенос (ИП) – это комплекс физико-химических явлений на контакте поверхностей при трении, который позволяет преодолеть ограниченность ресурса трущихся сочленений машин и снизить потери на трение. ИП есть особый вид трения, который обусловлен самопроизвольным образованием в зоне контакта неокисляющейся тонкой металлической пленки с низким сопротивлением сдвигу и неспособной наклепываться. На пленке образуется в свою очередь полимерная пленка, которая создает дополнительный антифрикционный слой. ИП, его системы снижения износа и трения (системы СИТ), разработанные А. А. Поляковым, не вытекают из ранее имевшихся представлений о трении и изнашивании. Процессы, составляющие сущность ИП, находятся на стыках разделов химии, физической химии, физики, синергетики и механики. Сложность ИП состоит также в том, что ряд его химических и физических процессов не встречался в практике исследований трения. Большинство химических реакций ИП являются гетерогенными, поэтому их изучение затруднено.

Но в то же время ИП имеет в своей основе полезные физико-химические явления и группы явлений (систем). Они подавляют изнашивание, снижают сопротивление сдвигу и обладают свойством самоорганизации, а иногда и способностью к обратной связи с возбуждающей причиной. Их основная ценность состоит в том, что они работают дифференцированно против факторов, ведущих к разрушению поверхности. Почти каждая из систем имеет глубокое содержание; например, система защиты от водородного изнашивания представляет собой целое трибологическое направление. Традиционной системой снижения износа и трения (СИТ) является самопроизвольное образование слоя смазочного материала при трении с граничной смазкой в результате адсорбции молекул смазочного материала на поверхности. А в ИП имеется максимальное число систем СИТ, и эффект здесь наиболее полный и существенный. Весьма полезным свойством ИП является также свойство работать в средах, где трение при граничной смазке не может эффективно выполнять свои функции. ИП проявляет способность перестройки защитных систем, которые варьируются в зависимости от свойств среды, являющейся исходным материалом для образования системы снижения износа и трения.

Исследование механизма ИП, его закономерностей и областей рационального применения привело к некоторому изменению установившихся ранее взглядов на ряд вопросов триботехники: структуру и свойства тонких поверхностных слоев трущихся деталей машин, механизм изнашивания и смазочного действия, пути создания смазочных материалов и присадок к ним, оптимальную структуру и свойства износостойких и антифрикционных материалов и приработочных покрытий и т. д.