Трибология

Трибология — это наука и техника понимания трения , смазки и износа взаимодействующих поверхностей в относительном движении . Она в высшей степени междисциплинарна, опираясь на многие академические области, включая физику , химию , материаловедение , математику , биологию и инженерию . ^[1] Основными объектами изучения трибологии являются трибосистемы , которые являются физическими системами контактирующих поверхностей. Подразделы трибологии включают биотрибологию , нанотрибологию и космическую трибологию . Она также связана с другими областями, такими как связь коррозии и трибологии в трибокоррозии и контактная механика того, как поверхности в контакте деформируются. Примерно 20% от общего расхода энергии в мире обусловлено воздействием трения и износа в транспортном, производственном, энергетическом и жилом секторах. ^[2]

В этом разделе будет 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 ^[1] в одноименном докладе, в котором подчеркивалась стоимость трения , износа и коррозии для экономики Великобритании. ^[2]

История

Ранняя история

Несмотря на сравнительно недавнее название области трибологии, количественные исследования трения можно проследить еще до 1493 года, когда Леонардо да Винчи впервые отметил два фундаментальных «закона» трения . ^[3] По словам 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 с удвоением веса. Однако выводы Леонардо остались неопубликованными в его записных книжках. ^[3]

Два основных «закона» трения были впервые опубликованы (в 1699 году) Гийомом Амонтоном , с именем которого они теперь обычно ассоциируются. Они утверждают, что: ^[3]

сила трения, действующая между двумя скользящими поверхностями, пропорциональна нагрузке, прижимающей поверхности друг к другу
сила трения не зависит от видимой площади контакта между двумя поверхностями.

Хотя эти простые утверждения не являются универсально применимыми, они справедливы для удивительно широкого спектра систем. ^[4] Эти законы были дополнительно разработаны Шарлем Огюстеном де Кулоном (в 1785 году), который заметил, что сила трения покоя может зависеть от времени контакта, а трение скольжения (кинетическое) может зависеть от скорости скольжения, нормальной силы и площади контакта. ^[5]^[6]

В 1798 году Чарльз Хэтчетт и Генри Кавендиш провели первый надежный тест на износ трением . В исследовании, заказанном Тайным советом Великобритании , они использовали простую возвратно-поступательную машину для оценки скорости износа золотых монет . Они обнаружили, что монеты с зернистостью между ними изнашивались быстрее по сравнению с самосопряженными монетами. ^[7] В 1860 году Теодор Рейе ^[a] предложил гипотезу Рейе [it] . ^[9] В 1953 году Джон Фредерик Арчард разработал уравнение Арчарда , которое описывает износ скольжения и основано на теории контакта неровностей . ^[10]

Другими пионерами исследований в области трибологии являются австралийский физик Фрэнк Филип Боуден ^[11] и британский физик Дэвид Табор ^[12] , оба из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Вместе они написали основополагающий учебник « Трение и смазка твердых тел» ^[13] (часть I была первоначально 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 проблем проектирования машин, применяя свои знания трибологии. Нил пользовался уважением как педагог с даром объединять теоретическую работу с собственным практическим опытом для создания простых для понимания руководств по проектированию. «Справочник по трибологии» ^[14] , 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-конструкторов.

Дункан Доусон рассмотрел историю трибологии в своей книге 1997 года «История трибологии» (2-е издание). ^[5] Она охватывает развитие от доисторических времен до ранних цивилизаций ( Месопотамия , Древний Египет ) и освещает ключевые события вплоть до конца двадцатого века.

Отчет Йоста

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

Значение

Несмотря на значительные исследования после отчета 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. ^[15] Они рассмотрели четыре основных сектора потребления энергии: транспорт , производство , производство электроэнергии и жилой сектор . Были сделаны следующие выводы: ^[15]

В общей сложности ~23% мирового потребления энергии приходится на трибологические контакты. Из них 20% идет на преодоление трения и 3% на восстановление изношенных деталей и запасного оборудования по причине износа и связанного с 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 могут быть сокращены на 40% в долгосрочной перспективе (15 лет) и на 18% в краткосрочной перспективе (8 лет). В мировом масштабе эта экономия составит 1,4% ВВП в год и 8,7% от общего потребления энергии в долгосрочной перспективе.
Наибольшая краткосрочная экономия энергии ожидается 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.
Внедрение передовых трибологических технологий может также 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 до 3,140 MtCO ₂ , а экономия затрат — 970,000 миллионов евро.

Классическая трибология, охватывающая такие приложения, как шарикоподшипники, зубчатые передачи, сцепления, тормоза и т. д., была разработана в контексте машиностроения. Но в последние десятилетия трибология расширилась до качественно новых областей применения, в частности микро- и нанотехнологий, а также биологии и медицины. ^[16]

Фундаментальные концепции

Трибосистема

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

Трибофильм

Трибопленки — это тонкие пленки, которые образуются на поверхностях, подверженных трибологическому напряжению. Они играют важную роль в снижении трения и износа в трибологических системах.

кривая Стрибека

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

Физика

Трение

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

Трение покоя: Который происходит между поверхностями в фиксированном состоянии или относительно неподвижными.
Динамическое трение: Который происходит между поверхностями, находящимися в относительном движении.

Изучение явлений трения является преимущественно эмпирическим исследованием и не позволяет достичь точных результатов, а только полезных приблизительных выводов. Эта невозможность получить определенный результат обусловлена чрезвычайной сложностью явления. При более пристальном изучении оно представляет новые элементы, которые, в свою очередь, делают глобальное описание еще более сложным. ^[17]

Законы трения

Все теории и исследования трения можно свести к трем основным законам, которые справедливы 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.

Позднее Кулон обнаружил отклонения от законов Амонтона в некоторых случаях. ^[6] В системах со значительными неоднородными полями напряжений законы Амонтона не выполняются макроскопически, поскольку локальное скольжение происходит до того, как скользит вся система. ^[18]

Трение покоя

Рассмотрим блок определенной массы m, помещенный в спокойное положение на горизонтальной плоскости. Если вы хотите переместить блок, необходимо приложить внешнюю силу, таким образом, мы наблюдаем определенное сопротивление движению, оказываемое силой, равной и противоположной приложенной силе, которая как раз и является статической силой трения . ^[19] ${\vec {F}}_{out}$ ${\vec {F}}_{s.f.}$

Постоянно увеличивая приложенную силу, мы получаем значение, при котором блок мгновенно начинает двигаться. В этой точке, также принимая во внимание первые два закона трения, указанные выше, можно определить силу трения покоя как силу, равную по модулю минимальной силе, необходимой для того, чтобы вызвать движение блока, а коэффициент трения покоя как отношение силы трения покоя . и нормальной силы на блоке , получая $\mu$ ${\vec {F}}_{s.f.}$ ${\vec {N}}$ ${\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}$

Динамическое трение

После того, как блок приведен в движение, он испытывает силу трения с меньшей интенсивностью, чем сила трения покоя . Сила трения при относительном движении известна как сила трения покоя . В этом случае необходимо учитывать не только первые два закона Амонтона, но и закон Кулона, чтобы иметь возможность утверждать, что соотношение между силой трения покоя , коэффициентом трения покоя k и нормальной силой N следующее: ${\vec {F}}_{s.f.}$ ${\vec {F}}_{d.f.}$ ${\vec {F}}_{d.f.}$ $\left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}$

Коэффициент статического и динамического трения

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

Эти коэффициенты являются безразмерными величинами, определяемыми соотношением между интенсивностью силы трения и интенсивностью приложенной нагрузки , зависящими от типа поверхностей, участвующих во взаимном контакте, и в любом случае всегда справедливо условие: . ${\vec {F}}_{f}$ ${\vec {W}}$ $\mu >k$

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

В системах со значительными неоднородными полями напряжений макроскопический коэффициент статического трения зависит от внешнего давления, размера системы или формы, поскольку локальное скольжение происходит до того, как система начнет скользить. ^[18]

В следующей таблице приведены значения коэффициентов статического и динамического трения для распространенных материалов:

Трение качения

трение качения

В случае тел, способных катиться, существует особый тип трения, при котором явление скольжения, типичное для динамического трения, не возникает, но также существует сила, противодействующая движению, что также исключает случай статического трения. Этот тип трения называется трением качения. Теперь мы хотим подробно рассмотреть, что происходит с колесом, катящимся по горизонтальной плоскости. Первоначально колесо неподвижно, а действующими на него силами являются сила веса и нормальная сила, создаваемая реакцией на вес пола. $m{\vec {g}}$ ${\vec {N}}$

В этот момент колесо приходит в движение, вызывая смещение в точке приложения нормальной силы, которая теперь приложена перед центром колеса, на расстоянии b , которое равно значению коэффициента трения качения. Противодействие движению вызвано разделением нормальной силы и силы веса в тот самый момент, когда начинается качение, поэтому значение крутящего момента, создаваемого силой трения качения, равно То, что происходит подробно на микроскопическом уровне между колесом и опорной поверхностью, описано на рисунке, где можно наблюдать, как ведут себя силы реакции деформированной плоскости, действующие на неподвижное колесо. ${{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}$

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

Сила трения качения зависит, таким образом, от малых деформаций, испытываемых опорной поверхностью и самим колесом, и может быть выражена как , где можно выразить b относительно коэффициента трения скольжения как , где r — радиус колеса. $|{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|$ $\mu$ ${\textstyle b={\mu v \over r}}$

Поверхности

Если пойти еще глубже, можно изучить не только самую внешнюю поверхность металла, но и непосредственно более внутренние состояния, связанные с историей металла, его составом и процессами производства, которым он подвергался.

металл можно разделить на четыре различных слоя:

Кристаллическая структура – основная структура металла, объемная внутренняя форма;
Обработанный слой – слой, который также может иметь включения инородного материала и который образуется в результате процессов обработки, которым подвергался металл;
Закаленный слой – имеет кристаллическую структуру большей твердости, чем внутренние слои, благодаря быстрому охлаждению, которому они подвергаются в процессе обработки;
Наружный слой или оксидный слой – слой, который образуется в результате химического взаимодействия металла с окружающей средой и осаждения примесей.

Слой оксидов и примесей (третье тело) имеет фундаментальное трибологическое значение, фактически он обычно способствует снижению трения. Другим фактом фундаментальной важности относительно оксидов является то, что если бы вы могли очистить и выровнять поверхность, чтобы получить чистую «металлическую поверхность», то мы бы наблюдали объединение двух поверхностей в контакте. Фактически, при отсутствии тонких слоев загрязняющих веществ атомы рассматриваемого металла не способны отличить одно тело от другого, таким образом, образуя единое тело при контакте.

Происхождение трения

Контакт между поверхностями состоит из большого количества микроскопических областей, в литературе называемых шероховатостями или контактными соединениями, где происходит контакт атомов с атомами. Явление трения, а следовательно, и рассеивания энергии, обусловлено именно деформациями, которые такие области претерпевают из-за нагрузки и относительного движения. Пластические, упругие или разрывные деформации могут наблюдаться:

Пластические деформации – остаточные деформации формы выступов;
Упругие деформации – деформации, при которых энергия, затраченная в фазе сжатия, почти полностью восстанавливается в фазе декомпрессии (упругий гистерезис);
Деформации разрыва – деформации, приводящие к разрыву неровностей и образованию новых зон контакта.

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

В явлениях трения температура имеет основополагающее значение 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 соприкасающихся друг с другом сферических неровностей , подвергающихся нагрузке, наблюдается деформация, которая по мере увеличения нагрузки переходит из упругой в пластическую. Это явление влечет за собой увеличение реальной площади контакта , что по этой причине можно выразить как: где D — твердость материала, определяемая как приложенная нагрузка, деленная на площадь контактной поверхности. ${\vec {W}}$ $A_{r}$ $A_{r}={{\vec {W}} \over D}$

Если в этой точке две поверхности скользят между собой, то наблюдается сопротивление сдвиговому напряжению t , обусловленное наличием адгезионных связей, которые были созданы именно из-за пластических деформаций, и поэтому сила трения будет определяться В этой точке, поскольку коэффициент трения является отношением между интенсивностью силы трения и интенсивностью приложенной нагрузки, можно утверждать, что таким образом, соотнося два свойства материала: прочность на сдвиг t и твердость. Для получения низких значений коэффициента трения можно прибегнуть к материалам, которые требуют меньшего сдвигового напряжения, но которые также являются очень твердыми. В случае смазочных материалов, по сути, мы используем подложку из материала с низким напряжением резания t , размещенную на очень твердом материале. ${\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}$ $\mu ={t \over D}$ $\mu$

Сила, действующая между двумя соприкасающимися твердыми телами, будет иметь не только нормальные компоненты, как предполагалось до сих пор, но также будет иметь тангенциальные компоненты. Это еще больше усложняет описание взаимодействия между шероховатостями, поскольку из-за этой тангенциальной компоненты пластическая деформация идет с меньшей нагрузкой, чем при игнорировании этой компоненты. Более реалистичное описание площади каждого отдельного соединения, которое создается, дается с постоянной и «касательной» силой, приложенной к соединению. ${A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}$ $\alpha$ ${\vec {F}}_{i}$

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

Изучая поведение в пределах, мы увидим, что при c = 0, t = 0 и при c = 1 оно возвращается к состоянию, при котором поверхности непосредственно соприкасаются и нет присутствия третьего тела. Имея в виду только что сказанное, можно исправить формулу коэффициента трения следующим образом: В заключение рассмотрим случай упругих тел, взаимодействующих друг с другом. $\mu ={\frac {c}{[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}$

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

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 как , в то время как сила трения равна . Это позволяет нам утверждать, что коэффициент трения можно очень легко рассчитать с помощью тангенса угла, под которым блок начинает скользить. Фактически, мы имеем Затем от наклонной плоскости мы перешли к более сложным системам, которые позволяют нам учитывать все возможные условия окружающей среды, в которых производится измерение, такие как машина с перекрестными роликами или машина со штифтом и диском. Сегодня существуют цифровые машины, такие как «Friction Tester», которая позволяет с помощью программного обеспечения вводить все желаемые переменные. Другим широко используемым процессом является испытание на сжатие кольца. Плоское кольцо изучаемого материала пластически деформируется с помощью пресса, если деформация представляет собой расширение как во внутреннем, так и во внешнем круге, то будут низкие или нулевые коэффициенты трения. В противном случае при деформации, которая расширяется только во внутреннем круге, коэффициенты трения будут увеличиваться. $mg\cos \theta$ $mg\sin \theta$ $\mu ={F_{a} \over N}={mg\sin \theta \over mg\cos \theta }={\sin \theta \over \cos \theta }=\tan \theta$

Смазка

Чтобы уменьшить трение между поверхностями и держать износ под контролем, используются материалы, называемые смазками . ^[20] Вопреки тому, что вы могли бы подумать, это не просто масла или жиры, а любой жидкий материал, который характеризуется вязкостью, такой как воздух и вода. Конечно, некоторые смазочные материалы подходят больше других, в зависимости от типа использования, для которого они предназначены: воздух и вода, например, легкодоступны, но первые можно использовать только в условиях ограниченной нагрузки и скорости, тогда как вторые могут способствовать износу материалов.

То, чего мы пытаемся достичь с помощью этих материалов, — это идеальная жидкая смазка или смазка, при которой можно избежать прямого контакта между рассматриваемыми поверхностями, вставляя между ними смазочную пленку. Для этого есть две возможности, в зависимости от типа применения, затрат на решение и уровня «совершенства» смазки, которого желательно достичь, есть выбор между:

Флюидостатическая смазка (или гидростатическая в случае минеральных масел) – заключается в подаче смазочного материала под давлением между соприкасающимися поверхностями;
Жидкостная смазка (или гидродинамика) – заключается в использовании относительного движения между поверхностями для проникновения смазочного материала.

Вязкость

Вязкость эквивалентна трению в жидкостях, по сути, она описывает способность жидкостей противостоять силам, вызывающим изменение формы.

Благодаря исследованиям Ньютона было достигнуто более глубокое понимание явления. Он, по сути, ввел понятие ламинарного течения : «течение, в котором скорость изменяется от слоя к слою». Идеально разделить жидкость можно между двумя поверхностями ( , ) площадью A, в различных слоях. $S_{1}$ $S_{2}$

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

Из сказанного можно сделать вывод, что сила F , необходимая для того, чтобы вызвать движение качения в жидкости, находящейся между двумя пластинами, пропорциональна площади двух поверхностей и градиенту скорости: В этой точке мы можем ввести пропорциональную константу , которая соответствует динамическому коэффициенту вязкости жидкости, чтобы получить следующее уравнение, известное как закон Ньютона Скорость изменяется на одну и ту же величину dv слоя в слое и тогда выполняется условие так, что dv / dy = v / L , где L - расстояние между поверхностями и , и тогда мы можем упростить уравнение, записав Вязкость высока в жидкостях, которые сильно противодействуют движению, в то время как она ограничена для жидкостей, которые легко текут. $F\propto A{dv \over dy}$ $\mu$ $F=\mu A{dv \over dy}$ $S_{1}$ $S_{2}$ $F=\mu A{v \over L}$ $\mu$

Чтобы определить, какой тип течения рассматривается в исследовании, мы наблюдаем его число Рейнольдса Это константа, которая зависит от массы жидкости , ее вязкости и диаметра L трубки, в которой течет жидкость. Если число Рейнольдса относительно низкое, то имеет место ламинарное течение, тогда как для течение становится турбулентным. $Re={{\rho Lv} \over \mu }$ $\rho$ $\mu$ $Re\simeq 2000$

В заключение хотим подчеркнуть, что жидкости можно разделить на два типа по вязкости:

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

Вязкость как функция температуры и давления

Температура и давление — два основных фактора, которые следует учитывать при выборе смазочного материала вместо другого. Сначала рассмотрите влияние температуры.

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

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

Для классификации различных смазочных материалов в соответствии с их поведением вязкости в зависимости от температуры в 1929 году Дин и Дэвис ввели индекс вязкости (VI). Они присвоили лучшему смазочному материалу, который был доступен на тот момент, а именно маслу из Пенсильвании, индекс вязкости 100, а наихудшему — американской нефти с побережья Мексиканского залива — значение 0. Для определения значения промежуточного индекса масла используется следующая процедура: выбираются два эталонных масла таким образом, чтобы рассматриваемое масло имело одинаковую вязкость при 100 °C, и для определения индекса вязкости используется следующее уравнение. Этот процесс имеет некоторые недостатки: $V.I.={{L-O_{\text{Test}}} \over {L-H}}\times 100$

Для смесей масел результаты не точны;
Информация отсутствует, если вы находитесь за пределами фиксированного диапазона температур;
С развитием технологий появились масла с индексом вязкости более 100, которые невозможно описать вышеприведенным методом.

В случае масел с индексом вязкости выше 100 можно использовать другое соотношение, позволяющее получить точные результаты , где в данном случае H — вязкость при 100 °F (38 °C) масла с индексом вязкости = 100, а v — кинематическая вязкость исследуемого масла при 210 °F (99 °C). $V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100$ $N={{\operatorname {Log} (H)-\operatorname {Log} (O_{\text{Test}})} \over {\operatorname {Log} (v)}}$

Поэтому в заключение можно сказать, что повышение температуры приводит к снижению вязкости масла. Также полезно помнить, что повышение давления, таким же образом, подразумевает повышение вязкости. Для оценки влияния давления на вязкость используется следующее уравнение, где — коэффициент вязкости под давлением p, — коэффициент вязкости при атмосферном давлении, — константа, описывающая связь между вязкостью и давлением. $\mu =\mu _{0}\exp {(\alpha p)}$ $\mu$ $\mu _{0}$ $\alpha$

Меры вязкости

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

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

Первые два типа вискозиметров используются в основном для ньютоновских жидкостей, тогда как третий тип весьма универсален.

Носить

Износ — это прогрессирующее непроизвольное удаление материала с поверхности в относительном движении с другой или с жидкостью. Мы можем выделить два различных типа износа: умеренный износ и сильный износ. Первый случай касается низких нагрузок и гладких поверхностей, в то время как второй касается значительно более высоких нагрузок и совместимых и шероховатых поверхностей, на которых процессы износа гораздо более интенсивны. Износ играет фундаментальную роль в трибологических исследованиях, поскольку он вызывает изменения формы компонентов, используемых в конструкции машин (например). Эти изношенные детали должны быть заменены, и это влечет за собой как проблему экономического характера из-за стоимости замены, так и функциональную проблему, поскольку если эти компоненты не будут заменены вовремя, машине в ее комплексе может быть нанесен более серьезный ущерб. Однако это явление имеет не только отрицательные стороны, на самом деле, его часто используют для уменьшения шероховатости некоторых материалов, устраняя неровности. Мы ошибочно склонны представлять износ в прямой корреляции с трением, в действительности эти два явления не могут быть легко связаны. Могут быть такие условия, что низкое трение может привести к значительному износу и наоборот. Для того чтобы это явление произошло, требуются определенные сроки реализации, которые могут 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:

Адгезионный износ;
Абразивный износ;
Усталостный износ;
Коррозионный износ;
Износ от трения или истирания;
Эрозионный износ;
Другие незначительные явления износа (износ под действием удара, кавитация, износ-плавление, износ по распространению).

Адгезивный износ

Как известно, контакт между двумя поверхностями происходит посредством взаимодействия между неровностями. ^[21] Если в области контакта приложить сдвигающее усилие, то можно отделить небольшую часть более слабого материала из-за его адгезии к более твердой поверхности. Описан именно механизм адгезионного износа, представленный на рисунке. Этот тип износа весьма проблематичен, поскольку он предполагает высокие скорости износа, но в то же время можно уменьшить адгезию, увеличив шероховатость поверхности и твердость вовлеченных поверхностей или внедрив слои загрязняющих веществ, таких как кислород, оксиды, вода или масла. В заключение, поведение объема адгезионного износа можно описать с помощью трех основных законов

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

Важным аспектом износа является выброс частиц износа в окружающую среду, что все больше угрожает здоровью человека и экологии. Первым исследователем, который исследовал эту тему, был Эрнест Рабинович . ^[22]

Абразивный износ

Абразивный износ состоит из режущего усилия твердых поверхностей, которые воздействуют на более мягкие поверхности и могут быть вызваны либо шероховатостью, которая, как наконечники, срезают материал, о который они трутся (двухкомпонентный абразивный износ), либо частицами твердого материала, которые вклиниваются между двумя поверхностями в относительном движении (трехкомпонентный абразивный износ). На уровнях применения двухкомпонентный износ легко устраняется посредством адекватной обработки поверхности, в то время как трехкомпонентный износ может вызвать серьезные проблемы и поэтому должен быть максимально устранен посредством соответствующих фильтров, даже до разработки машины с утяжелением.

Усталостный износ

Усталостный износ — это тип износа, вызванный чередующимися нагрузками, которые вызывают локальные контактные силы, повторяющиеся с течением времени, что в свою очередь приводит к ухудшению состояния вовлеченных материалов. Наиболее непосредственным примером такого износа является износ расчески. Если вы снова и снова проводите пальцем по зубьям расчески, то вы увидите, что в какой-то момент один или несколько зубцов расчески отрываются. Это явление может привести к разрушению поверхностей из-за механических или термических причин. Первый случай — это тот, который описан выше, в котором повторяющаяся нагрузка вызывает высокие контактные напряжения. Второй случай, однако, вызван термическим расширением материалов, участвующих в процессе. Поэтому для уменьшения этого типа износа полезно попытаться уменьшить как контактные силы, так и термоциклирование, то есть частоту, с которой вмешиваются различные температуры. Для достижения оптимальных результатов также полезно устранить, насколько это возможно, примеси между поверхностями, локальные дефекты и включения инородных материалов в вовлеченных телах.

Коррозионный износ

Коррозионный износ происходит в присутствии металлов, которые окисляются или корродируют. Когда чистые металлические поверхности вступают в контакт с окружающей средой, на их поверхностях образуются оксидные пленки из-за загрязняющих веществ, присутствующих в самой среде, таких как вода, кислород или кислоты. Эти пленки постоянно удаляются из абразивных и адгезионных механизмов износа, постоянно воссоздаваемых взаимодействиями чистого загрязняющего металла. Очевидно, что этот тип износа можно уменьшить, пытаясь создать среду «ad hoc», свободную от загрязняющих веществ и чувствительную к минимальным термическим изменениям. Коррозионный износ также может быть положительным в некоторых приложениях. Фактически, создаваемые оксиды способствуют снижению коэффициента трения между поверхностями или, будучи во многих случаях тверже металла, к которому они принадлежат, могут использоваться в качестве превосходных абразивов.

Износ при трении или фреттинг

Износ трением происходит в системах, подверженных более или менее интенсивным вибрациям, которые вызывают относительные перемещения между соприкасающимися поверхностями в пределах порядка нанометров. Эти микроскопические относительные перемещения вызывают как адгезионный износ, вызванный самим смещением, так и абразивный износ, вызванный частицами, образующимися в адгезионной фазе, которые остаются захваченными между поверхностями. Этот тип износа может быть ускорен присутствием едких веществ и повышением температуры. ^[23]

Эрозионный износ

Эрозионный износ происходит, когда свободные частицы, которые могут быть как твердыми, так и жидкими, ударяются о поверхность, вызывая абразивный износ. Механизмы, задействованные в этом процессе, различны и зависят от определенных параметров, таких как угол удара, размер частиц, скорость удара и материал, из которого состоят частицы.

Факторы, влияющие на износ

Среди основных факторов, влияющих на износ, мы находим

Твёрдость
Взаимная растворимость
Кристаллическая структура

Было проверено, что чем тверже материал, тем больше он уменьшается. Точно так же, чем меньше два материала взаимно растворимы, тем больше износ имеет тенденцию к уменьшению. Наконец, что касается кристаллической структуры, можно утверждать, что некоторые структуры более приспособлены для сопротивления износу других, например, гексагональная структура с компактным распределением, которая может деформироваться только путем скольжения вдоль базовых плоскостей.

Скорость износа

Для оценки ущерба, вызванного износом, мы используем безразмерный коэффициент, называемый скоростью износа, определяемый отношением изменения высоты тела к длине относительного скольжения . Этот коэффициент позволяет подразделять, в зависимости от его размера, ущерб, нанесенный различным материалам в различных ситуациях, переходя от умеренной степени износа, через среднюю, к степени сильного износа. $\Delta h$ $\Delta l$ $T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}$

Вместо этого для выражения объема износа V можно использовать уравнение Холма

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

где W / H представляет собой реальную площадь контакта, l — длину пройденного пути, а k и — экспериментальные размерные коэффициенты. $k_{a}$

Измерение износа

При экспериментальных измерениях износа материалов часто необходимо воссоздать довольно малые скорости износа и ускорить время. Явления, которые в реальности развиваются через годы, в лаборатории должны происходить через несколько дней. Первая оценка процессов износа - это визуальный осмотр поверхностного профиля исследуемого тела, включая сравнение до и после возникновения явления износа. В этом первом анализе наблюдаются возможные изменения твердости и поверхностной геометрии материала. Другой метод исследования - это метод радиоактивного индикатора, используемый для оценки износа на макроскопических уровнях. Один из двух материалов, находящихся в контакте, вовлеченных в процесс износа, помечается радиоактивным индикатором. Таким образом, частицы этого материала, которые будут удалены, будут легко видны и доступны. Наконец, для ускорения времени износа одним из наиболее известных используемых методов является метод контактных испытаний под высоким давлением. В этом случае для получения желаемых результатов достаточно приложить нагрузку к очень уменьшенной площади контакта.

Приложения

Транспорт и производство

Исторически исследования трибологии были сосредоточены на проектировании и эффективной смазке компонентов машин, особенно подшипников . Однако изучение трибологии распространяется на большинство аспектов современных технологий, и любая система, в которой один материал скользит по другому, может быть затронута сложными трибологическими взаимодействиями. ^[24]

Традиционно исследования 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 этого. ^[24] Трибология также играет важную роль в производстве . Например, при обработке металлов давлением трение увеличивает износ инструмента и мощность, необходимую для обработки детали. Это приводит к увеличению затрат из-за более частой замены инструмента, потери допуска при изменении размеров инструмента и больших усилий, необходимых для формовки детали.

Использование смазочных материалов, которые минимизируют прямой контакт с поверхностью, снижает износ инструмента и требования к мощности. ^[25] Также необходимо знать влияние производства, все методы производства оставляют уникальный системный отпечаток (т. е. топографию поверхности ), который будет влиять на трибоконтакт (например, образование смазочной пленки).

Исследовать

Поля

Исследования трибологии варьируются от макро до наномасштабов , в таких разнообразных областях, как движение континентальных плит и ледников до передвижения животных и насекомых. ^[24] Исследования трибологии традиционно сосредоточены на транспортном и производственном секторах, но они значительно диверсифицировались. Исследования трибологии можно условно разделить на следующие области (с некоторым совпадением):

Классическая трибология изучает трение и износ в элементах машин (таких как подшипники качения , зубчатые передачи , подшипники скольжения , тормоза , сцепления , колеса и гидравлические подшипники ), а также в производственных процессах (таких как обработка металлов давлением ).
Биотрибология изучает трение , износ и смазку в биологических системах. Эта область приобретает все большее значение по мере увеличения продолжительности жизни человека. Человеческие тазобедренные и коленные суставы являются типичными биотрибологическими системами. ^[26]
Зелёная трибология направлена на минимизацию воздействия трибологических систем на окружающую среду на протяжении всего их жизненного цикла . В частности, зелёная трибология направлена на снижение трибологических потерь (например, трения и износа ) с использованием технологий с минимальным воздействием на окружающую среду. Это контрастирует с традиционной трибологией, где средства снижения трибологических потерь не оцениваются целостно. ^[27]
Геотрибология изучает трение, износ и смазку геологических систем, таких как ледники и разломы .
Нанотрибология изучает трибологические явления в наномасштабах . Эта область становится все более важной по мере уменьшения размеров устройств (например, микро/наноэлектромеханических систем, MEMS / NEMS ), а исследованиям способствовало изобретение атомно-силовой микроскопии .
Вычислительная трибология направлена на моделирование поведения трибологических систем посредством мультифизического моделирования, объединяющего такие дисциплины, как контактная механика , механика разрушения и вычислительная гидродинамика .
Космическая трибология изучает трибологические системы, которые могут работать в экстремальных условиях внешней среды космоса . В частности, для этого требуются смазочные материалы с низким давлением паров , способные выдерживать экстремальные колебания температур.
Трибология открытых систем изучает трибологические системы, которые подвергаются воздействию природной среды и оказывают на них влияние .
Трибоинформатика — это применение методов искусственного интеллекта , машинного обучения и больших данных к трибологическим системам. ^[28]

В последнее время интенсивные исследования суперсмазочных свойств (феномена исчезающего трения) получили импульс в связи с растущим спросом на энергосбережение. ^[29] Кроме того, разработка новых материалов, таких как графен и ионные жидкости , позволяет использовать принципиально новые подходы к решению трибологических проблем . ^[30]

Общества

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

Подход к исследованию

Исследования в области трибологии в основном эмпирические, что можно объяснить большим 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 стендов на уровне компонентов.

Смотрите также

Противоизносные присадки – присадки к смазочным материалам для предотвращения контакта металла с металлом.
Подшипник – механизм, ограничивающий относительное движение желаемым движением и уменьшающий трение.
Холодная сварка – процесс сварки, при котором соединение происходит без расплавления или нагревания поверхности контакта.
Контактная механика – изучение деформации твердых тел, соприкасающихся друг с другом.
Фреттинг – износ или повреждение нагруженных поверхностей
Трение – сила, противодействующая скольжению.
Модификатор трения – смазочная добавка для снижения трения и износа.
Истирание – вид износа, вызванный адгезией между скользящими поверхностями.
Леонардо да Винчи – итальянский полимат эпохи Возрождения (1452–1519)
Список организаций по трибологии
Смазка – вещество, вводимое для уменьшения трения между поверхностями, находящимися во взаимном контакте.
Смазка — наличие материала, уменьшающего трение между двумя поверхностями.
Присадка к маслу – химические соединения, улучшающие смазочные свойства базового масла.
Анализ масла – Лабораторный анализ свойств и загрязняющих веществ смазочных материалов на масляной основе.
Питер Йост – британский инженер-механик (1921–2016)
Усталость при контактном качении – Механизм деформации
Склерометр – прибор, используемый для измерения твёрдости материала.
Космическая трибология – Трибологические системы для применения в космических аппаратах
Наука о поверхности – изучение 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 – Смазочная добавка

Сноски

^ Теодор Рейе был политехником в Цюрихе в 1860 году, но позже стал профессором в Страсбурге, согласно Морицу (1885) стр. 535. ^[8]

Ссылки

^ abcd Йост, Питер (1966). «Смазка (трибология) — отчет о текущем положении и потребностях отрасли». Департамент образования и науки. Лондон, Великобритания: HM Stationery Office.
^ ab Mitchell, Luke (ноябрь 2012 г.). Ward, Jacob (ред.). «Вымысел нетрения». Popular Science . № 5. 281 (ноябрь 2012 г.): 40.
^ abc Хатчингс, Ян М. (15 августа 2016 г.). «Исследования трения Леонардо да Винчи» (PDF) . Износ . 360 (Приложение C): 51–66. doi :10.1016/j.wear.2016.04.019.
^ Гао, Цзяньпин; Людтке, В.Д.; Гурдон, Д.; Рутс, М.; Исраэлачвили, Дж. Н.; Ландман, Узи (1 марта 2004 г.). «Силы трения и закон Амонтона: от молекулярного к макроскопическому масштабу». Журнал физической химии Б. 108 (11): 3410–3425. дои : 10.1021/jp036362l. ISSN 1520-6106. S2CID 16643851.
^ ab Dowson, Duncan (1997). История трибологии (второе издание). Professional Engineering Publishing. ISBN 1-86058-070-X.
^ ab Попова, Елена; Попов, Валентин Л. (30 июня 2015 г.). «Исследовательские работы Кулона и Амонтона и обобщенные законы трения». Трение . 3 (2): 183–190. doi : 10.1007/s40544-015-0074-6 .
^ Chaston, JC (1 декабря 1974 г.). «Износостойкость золотых сплавов для чеканки монет». Gold Bulletin . 7 (4): 108–112. doi : 10.1007/BF03215051 . ISSN 0017-1557.
^ Рюльманн, Мориц (1885). Vorträge über die Geschichte der technischen Mechanik und theoretischen Maschinenlehre und der damit im Zusammenhang stehenden mathematischen Wissenschaften [ Лекции по истории технической механики и теоретической теории машин и смежным математическим наукам ] (на немецком языке). Том. Часть 1. Георг Олмс Верлаг. п. 535. ИСБН 978-3-48741119-4.
^ Рей, Карл Теодор (1860) [1859-11-08]. Борнеманн, КР (ред.). «Zur Theorie der Zapfenreibung» [К теории трения шарниров]. Der Civilingenieur - Zeitschrift für das Ingenieurwesen . Neue Folge (NF) (на немецком языке). 6 : 235–255 . Проверено 25 мая 2018 г.
^ Арчард, Джон Фредерик (1 августа 1953 г.). «Контакт и трение плоских поверхностей». Журнал прикладной физики . 24 (8): 981–988. Bibcode : 1953JAP....24..981A. doi : 10.1063/1.1721448. ISSN 0021-8979.
↑ Tabor, D. (1 ноября 1969 г.). «Фрэнк Филипп Боуден, 1903–1968». Биографические мемуары членов Королевского общества . 15 (53): 317. Bibcode : 1969JGlac...8..317T. doi : 10.1098/rsbm.1969.0001. ISSN 0080-4606. S2CID 71069997.
^ Field, J. (2008). "Дэвид Табор. 23 октября 1913 г. – 26 ноября 2005 г." . Биографические мемуары членов Королевского общества . 54 : 425–459. doi : 10.1098/rsbm.2007.0031 .
^ Боуден, Фрэнк Филип; Табор, Дэвид (2001). Трение и смазка твердых тел . Oxford Classic Texts in the Physical Sciences. ISBN 9780198507772.
^ Нил, Майкл Дж. (1995). Справочник по трибологии (2-е изд.). Elsevier. ISBN 9780750611985.
^ ab Holmberg, Kenneth; Erdemir, Ali (1 сентября 2017 г.). «Влияние трибологии на глобальное потребление энергии, затраты и выбросы». Friction . 5 (3): 263–284. doi : 10.1007/s40544-017-0183-5 . ISSN 2223-7690. Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
^ Попов, Валентин Л. (2018). «Приближается ли трибология к своему золотому веку? Грандиозные проблемы в инженерном образовании и трибологических исследованиях». Frontiers in Mechanical Engineering . 4. doi : 10.3389/fmech.2018.00016 .
^ Фейнман, Ричард П .; Лейтон, Роберт Б.; Сэндс , Мэтью ; Хафнер, Э.М. (1965). «Лекции Фейнмана по физике». Американский журнал физики . 33 (9): 750–752. Bibcode : 1965AmJPh..33..750F. doi : 10.1119/1.1972241. ISSN 0002-9505.
^ ab Otsuki, M.; Matsukawa, H. (2 апреля 2013 г.). "Систематическое разрушение закона трения Амонтона для упругого объекта, локально подчиняющегося закону Амонтона". Scientific Reports . 3 : 1586. arXiv : 1202.1716 . Bibcode : 2013NatSR...3E1586O. doi : 10.1038/srep01586. PMC 3613807 . PMID 23545778.
^ Резник; Холлидей; Крейн (2002). Физика . Т. 1 (5-е изд.).
^ Шери А.З. (2005) - Жидкостная пленочная смазка: теория и дизайн, Cambridge University Press .
^ Stachowiak GW; Batchelor AW (2005). Инженерная трибология . Elsevier Applied Science. Bibcode :2005entr.book.....W.
^ Попова, Елена; Попов, Валентин Л.; Ким, Дэ-Ын (1 сентября 2018 г.). «60 лет критерию Рабиновича для адгезионного износа». Трение . 6 (3): 341–348. doi : 10.1007/s40544-018-0240-8 .
^ дос Сантос, Клаудио Теодоро; Барбоза, Кассио; де Хесус Монтейро, Маурисио; де Серкейра Абуд, Ибрагим; Виейра Каминья, Иеда Мария; де Мелло Рослер, Карлос Родриго (2015). «Испытания на фреттинг-коррозию ортопедических пластин и винтов из нержавеющей стали ASTM F138». Исследования в области биомедицинской инженерии . 31 (2): 169–175. дои : 10.1590/2446-4740.0710 . S2CID 44071702.
^ abc Stachowiak, Gwidon W. (1 сентября 2017 г.). «Как трибология помогает нам развиваться и выживать». Friction . 5 (3): 233–247. doi : 10.1007/s40544-017-0173-7 . hdl : 20.500.11937/59306 . ISSN 2223-7690.
^ J. Paulo, Davim (2013). Трибология в производственных технологиях . Springer. ISBN 978-3-642-31683-8.
^ Остермайер, Георг-Петер; Попов, Валентин Л.; Шилько, Евгений В.; Васильева, Ольга С., ред. (2021). «Многомасштабная биомеханика и трибология неорганических и органических систем». Springer Tracts in Mechanical Engineering . doi : 10.1007/978-3-030-60124-9 . ISBN 978-3-030-60123-2. ISSN 2195-9862.
^ Носоновский, Майкл; Бхушан, Бхарат (2012). Зеленая трибология . Зеленая энергия и технологии. SpringerLink. doi :10.1007/978-3-642-23681-5. ISBN 978-3-642-23680-8. S2CID 238793302.
^ Хасан, Мд Сайам; Носоновский, Майкл (24 марта 2022 г.). «Трибоинформатика: алгоритмы машинного обучения и методы топологии данных для трибологии». Surface Innovations . 40 (12): 229–242. doi :10.1680/jsuin.22.00027. S2CID 247398788.
^ Эрдемир, Али; Мартин, Жан Мишель (2007). Суперсмазывающая способность . Эльзевир. ISBN 978-0-444-52772-1.
^ Динвибель, Мартин; Верховен, Гертьян С.; Прадип, Намбудири; Френкен, Йост ВМ; Хеймберг, Дженнифер А.; Зандберген, Хенни В. (24 марта 2004 г.). «Сверхсмазывающая способность графита». Письма о физических отзывах . 92 (12): 126101. Бибкод : 2004PhRvL..92l6101D. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.126101. PMID 15089689. S2CID 26811802.

Внешние ссылки

Найдите информацию о трибологии в Викисловаре, бесплатном словаре.

Бернхард, Адриенна (7 апреля 2020 г.). «Как неясная наука трения создала прошлое и сформирует будущее». Popular Mechanics . Архивировано из оригинала 8 апреля 2020 г. . Получено 6 июня 2022 г. .{{cite magazine}}: CS1 maint: unfit URL (link)