Публикации

Трибология. Трение и износ

Трение — удивительный феномен природы! Оно подарило человечеству тепло и огонь, возможность в короткое время остановить скоростной поезд и автомобиль, ускорить химическую реакцию в сто тысяч раз, записать человеческий голос на пластинку, услышать звуки скрипки и многое другое.

1883 году знаменитый русский инженер и ученый Н. П. Петров писал: «Силу трения можно замечать всегда и повсюду, и ее надо поставить в ряду могущественнейших способов, при посредстве которых природа превращает один вид энергии в другой, мало-помалу заменяя их тепловыми. Эта сила обнаруживает свое влияние в самых разнообразных явлениях природы, возбуждая живой интерес ученых самых разнообразных направлений. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику». Это высказывание одного из крупнейших инженеров конца прошлого века необычайно ясно показывает исключительную важность трибологии — науки о трении и процессах, его сопровождающих.

Трение изучали Леонардо да Винчи и Ломоносов, Амонтон и Кулон, Петров и Эйлер, Менделеев и Рейнольде и другие ученые. В наше время трение изучали академики Н.Е. Жуковский, Е.А. Чудаков, В.Д. Кузнецов, П.А. Ребиндер, проф. А.С. Ахматов чл.-корр. АН СССР Б.В. Дерягин, проф. И.В. Крагельский, проф. М.М. Хрущев и др.

Сегодня в нашей стране изучением трения, изнашивания и смазки машин занимаются многие ученые, профессора, доктора наук: Б.М. Асташкевич, Э.Д. Браун, В.Н. Виноградов, Б.Т. Грязнов, Ю.Н. Дроздов, Ю.А. Евдокимов, М.Н. Ерохин, чл.-корр. РАН В.И. Колесников, А.К. Прокопенко, А.С. Проников, Г.М. Сорокин, А.В. Чичинадзе и многие другие.

За рубежом известными учеными в этой области являются: Ф. Боуден, Д. Тейбор, С. Баходур, К. Лудема, Н.П. Су, Д. Бакли, М. Амбрустер, Н.. Краузе, Н..Уетц, Н..Чихос, Г. Фляйшер, Г. Польцер, Р. Марчак, С. Пытко, Ю. Подгуркас и др.

До настоящего времени трение во многих его аспектах остается загадкой. При трении (и только при трении) одновременно происходят механические, электрические, тепловые, вибрационные и химические процессы. Трение может упрочнить или разупрочнить металл, повысить или уменьшить в нем содержание углерода, насытить металл водородом или обезводородить его, превратить золото и платину в окислы, отполировать детали или сварить их. Трение является самоорганизующимся процессом, при котором с определенной последовательностью и весьма "разумно" протекают явления, направленные на разрушение поверхности или же, наоборот, на создание целой серии систем, снижающих износ и трение.

Сегодня с трением связана одна из самых острых проблем современности — износ машин и механизмов. Расходы на восстановление машин в результате износа огромны, причем ежегодно они увеличиваются. Удлинение срока службы машин и оборудования даже в небольшой степени равноценно вводу значительных новых производственных мощностей.

Трибология имеет свою историю, и эта история изобилует славными именами и блестящими достижениями носителей этих имен. Современный инженер или врач, спортсмен или ученый не могут не заинтересоваться тем, как развивалась наука, с приложениями которой они сталкиваются постоянно в своей практической деятельности, наука, история которой с одинаковым основанием может вестись с незапамятных времен и с 9 марта 1966 г. — когда она получила свое название.

История развития теории трения

Трение нигде не проявляется само по себе, но препятствует любому относительному перемещению сопряженных тел в любых средах. Непременным следствием процесса трения является изнашивание трущихся тел, т.е. постепенное изменение их размеров или формы, и нагрев трущихся тел, приводящий к образованию либо интенсификации разрушения защитных пленок, предохраняющих эти тела от задира и катастрофической порчи их рабочих поверхностей. Трение само по себе в значительной мере определяет энергетические потери при работе машин и механизмов.

Процесс трения может быть полезным и вредным - эту аксиому человек освоил еще на заре цивилизации. Ведь два самых главных изобретения - колесо и добывание огня - связаны именно со стремлением уменьшить и увеличить эффекты трения.

Доисторическая эпоха (до 3500 года до н.э.)

Человек начал сталкиваться с проблемами, изучаемыми трибологией, еще на заре своего существования, задолго до того, как он, пытливо вглядываясь в окружающий мир, стал использовать известные ему из повседневного опыта факты для того, чтобы облегчить свою жизнь. В борьбе за существование человек постепенно приобретает новые знания и умения — в том числе в области трибологии, объем которых медленно, но непрерывно увеличивается. Уже в эпоху палеолита человек научился добывать огонь трением, что впервые доставило ему возможность хоть в чем-то не зависеть от стихийных сил природы и тем окончательно отделило человека от животного мира. Это открытие и вызванная им важнейшая хозяйственная революция произвели на людей такое колоссальное впечатление, что его отголоски донеслись до недавнего времени. Энгельс писал по этому поводу: «Практическое открытие превращения механического движения в теплоту так старо, что от него можно было бы считать начало человеческой истории. Какие бы достижения ни предшествовали этому открытию огня — в виде изобретения орудий и приручения животных, — но, только научившись добывать огонь с помощью трения, люди впервые заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы. Какое глубокое впечатление произвело на человечество это гигантское, почти неизмеримое по своему значению открытие, показывают еще теперешние народные суеверия... Долго спустя, после того как людям стали известны другие способы получения огня, всякий священный огонь должен был у большинства народов добываться путем трения». Получение огня при помощи трения осуществлялось у разных народов различными методами: высверливанием, выскабливанием, высеканием. Первые два из них были основаны на том, что концом твердой палочки быстро терли (вращательно или поступательно) по небольшому участку поверхности куска дерева, обеспечивая фрикционный разогрев легковоспламеняемого материала до температуры его возгорания. Высекая огонь ударами камня о камень (много позже — камня о железное кресало), человек также преобразовывал работу трения в теплоту, обеспечивающую воспламенение трута.

Дальнейшее неосознанное использование человеком еще не известных ему законов трибологии продолжалось в эпоху мезолита, а затем и неолита. Сверление применяли уже не только для добывания огня, но и для изготовления орудий. Между X и IV тысячелетиями до н. э. при перетаскивании тяжелых блоков использовали цилиндрические катки. Появились первые ручные мельницы — два отшлифованных камня, между которыми растираются зерна. Большую роль в дальнейшем прогрессе человечества сыграли приспособления, реализующие вращательное движение. Прежде всего — это гончарный круг (сначала — ручной, затем ножной), при помощи которого можно было производить глиняную посуду более правильной формы и с большей производительностью труда. Такое приспособление, появившееся на Древнем Востоке в конце IV — начале III тысячелетия до н. э., а в Европе — в X—IX веке до н. э., требует использования подшипникового узла, обеспечивающего достаточно низкое трение. Строительство жилищ, снабженных дверью, потребовало создания дверных петель. Их заменяли выемками в деревянных или каменных порогах, в гнезда которых вставлялись прикрепленные к двери штыри. Деревянные пороги с такими гнездами были найдены в жилищах эпохи неолита в Центральной Европе, а каменные пороги с гнездами применялись в ассирийских деревнях 6—7 тыс. лет назад. 7 тысяч лет назад в Скандинавии появились лыжи, позволившие передвигаться по снегу с малыми потерями на трение.

В эпоху ранних цивилизаций уровень трибологических знаний растет, и это отражается на прогрессе техники. Более осознанное понимание преимущества трения качения перед трением скольжения при перемещении грузов приводит к изобретению колеса и созданию колесных экипажей, о чем свидетельствуют многочисленные археологические находки. В IV—III тысячелетиях до н. э. в Двуречье появились первые колесные повозки, а с начала III тысячелетия до н.э. появились даже специальные обозначения для грузовых и боевых повозок.

Повозка (a) и сани (б) — пиктограммы из Урука, 3000 г. до н. э.

Рис. 1. Повозка (a) и сани (б) — пиктограммы из Урука, 3000 г. до н. э.

До наших дней сохранились древнейшие модели повозок конца IV тысячелетия д. н. э. из древнего Урука, пиктограммы из Урука, изображающие повозку и сани (рис. 1)

Египетская колесница времени Нового царства, XV—XIV в. до н. э. Музей во Флоренции

Рис. 2. Египетская колесница времени Нового царства, XV—XIV в. до н. э. Музей во Флоренции

Процессы изготовления колесниц, в частности колес, запечатлены на древнеегипетских настенных рисунках. Сохранились и подлинные древние колесные экипажи (рис. 2).

Позднее (в начале I тысячелетия д. н. э.) появляются блоки, ставшие важным элементом подъемных механизмов. Поистине шедевром античной технической мысли было использование возможностей трения качения по сравнению с трением скольжения при транспортировке гигантских колонн храма Артемиды Эфесской в VI веке д. н. э. Для того чтобы протащить их по заболоченной местности, архитектор Херсифрон просверлил в торцах колонн отверстия, вставил в них штыри, служащие осями колонн. Эти оси были установлены в подшипниках, представляющих собой металлические втулки, заделанные в деревянную раму, ставшую, таким образом, корпусом, в котором был смонтирован каток, т.е. колонна.

Существует несколько оставшихся изображений (рисунков) подшипников скольжения. Например:

Каменный карман для нижней оси двери храма (Ассирия, приблизительно 2500 лет д. н.э.) (Рис.3).

Каменный карман для нижней оси двери храма

Рис.3 Каменный карман для нижней оси двери храма

Транспортировка Египетского каменного колосса с использованием деревянных салазок, доказывающих первое применение смазочного материала в трибологических целях (Египет, примерно 2400 год д. н. э.) (Рис.4).

Каменный карман для нижней оси двери храма

Рис.4. Каменный карман для нижней оси двери храма

Расчет трения доказывает то, что между полозьями салазок и деревянными болванами была применена смазка. Существуют некоторые предположения относительно типа смазочного материала: вода, грязь, ил из Нила, в который добавили оливковое масло.

Колеса, ободы которых ошипованы медными гвоздями для уменьшения износа (Рис.5).

Колеса шипованные медными гвоздями

Рис.5. Колеса шипованные медными гвоздями

Винтовые зубчатые колеса в устройстве для обработки хлопка (Индия) (Рис 6).

Винтовые зубчатые колеса в устройстве для обработки хлопка (Индия)

Рис.6. Винтовые зубчатые колеса в устройстве для обработки хлопка (Индия)

1.2. Греко-римская эпоха (900 г. д. н.э. - 400 н.э.)

Александрийский механик Ктесибий (II—I вв. до н. э.) изобрел двухцилиндровый пожарный насос, который в принципе не отличался от современного насоса. Поршни этого насоса предварительно смазывались маслом. Величайший механик древности Архимед из Сиракуз (287—212 г. д. н. э.) создал огромное количество машин с самыми разнообразными узлами трения. В частности, он изобрел винт, который быстро нашел применение в винтовых прессах для оливкового масла, создал винтовой насос, применяемый для ирригации полей и выкачивания воды из рудников и трюмов кораблей. Он создал большое количество военных машин, которые, несомненно, включали узлы трения самого различного назначения. Часть из этих узлов, прежде всего подшипниковых, скорее всего также смазывалась. Подшипники со сменными металлическими вкладышами широко применялись в Древней Греции и Риме в устройствах самого различного назначения. Еще раньше появилось представление о трибоэлектричестве: явление электризации янтаря при натирании его тканью описал один из семи мудрецов Эллады Фалес из Милета (около 625—547 г. д. н. э.).

Следует иметь в виду, что великий Аристотель (384—322 г. до н. э.) знал о существовании трения как сопротивления среды относительному перемещению тел и отмечал, что оно много меньше для круглых катящихся тел, чем для плоских скользящих тел. В то же время Аристотель не отличал сопротивление движению тел, вызываемое их инерцией, от сопротивления, вызываемого собственно трением. Тело движется под действием постоянно действующей силы с постоянной скоростью. Сопротивление среды Аристотель считал зависящим от веса тела. При уменьшении веса скорость движения возрастает. То же самое происходит, если дорога становится более ровной. Несомненно, представления Аристотеля о сопротивлении среды перемещению тел оказали огромное влияние на всех последующих ученых вплоть до Галилея. Знаменитый римский инженер и архитектор Марк Витрувий Поллион (2-я половина I в. до н, э.) в трактате «Десять книг об архитектуре», созданном в промежутке между 22 и 14 г. до н. э., и в течение полутора тысячелетий бывшем настольной книгой инженеров многих поколений, описал деревянный роликовый подшипник, который использовался в стенобитных орудиях, применяемых еще во времена Александра Македонского. Ролики, по-видимому, вытачивались на токарном станке, а каждый элемент качения имел собственную ось, которая фиксировалась в корпусе подпятника. Первое систематическое описание зубчатых передач в машинах того времени также было сделано Витрувием. Любопытно, что Витрувий характеризует машину вообще как «сочетание соединенных вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей». В то же время, по его словам: «Ось изготавливается на токарном станке или, по крайней мере, делается круглой от руки, на ее концы надевают железные обручи; вокруг средней части установлен барабан, образованный подогнанными планками. Ось лежит на опорах, покрытых железом в местах, где они касаются оси».

Эта эпоха характеризуется развитием в области радиальных подшипников и зубчатых передач, а также первых конструкций роликовых подшипников.

Имеется несколько примеров, показывающих уровень развития узлов трения в то время:

Деревянные дифференциальные передачи в знаменитой "указывающей на юг" колеснице (Китай, примерно 255 год до н.э.) (Рис.7).

Деревянные дифференциальные передачи

Рис.7. Деревянные дифференциальные передачи

Железные кольца (втулки) в деревянных рамах, чтобы избежать трение железного вала по дереву и, как следствие, большего износа (Рис.8).

Железные кольца (втулки) в деревянных рамах

Рис.8. Железные кольца (втулки) в деревянных рамах

Передача Архимеда со всеми элементами червячной передачи (3 век до н.э.).

Роликовые подшипники для вращающихся платформ на Римских судах на озере Неми (примерно 50 год н.э.).

Фрагменты упорного шарикоподшипника (бронзовые шары перекатывались по деревянной платформе) (Рис.9).

Фрагмент упорного шарикоподшипника

Рис.9. Фрагмент упорного шарикоподшипника

Фрагменты упорного подшипника с коническими (суживающиеся к концу) роликами (деревянные ролики по деревянной платформе) (Рис.10).

Фрагменты упорного подшипника с коническими роликами

Рис.10. Фрагменты упорного подшипника с коническими роликами

Все применявшиеся тогда методы сводились к усовершенствованию конструкции подшипников скольжения и снижению сопротивления трения скольжения. Подшипники скольжения смазывались. Совершенствовались смазывающие свойства масел путем установления такой консистенции и адгезии, чтобы смазочный материал долгое время находился в зоне трения. Растительные масла имеют малую вязкость, и поэтому, стекая, они недолго смазывают зоны трения скольжения, кроме того, они быстро высыхают. В связи с этим их стали сгущать и постепенно заменять животными жирами.

Существуют описания производства битума и легкого масла из сырой нефти. Для установки поршней в водяные насосы наносились тонкие масляные пленки для облегчения этого процесса.

Оси повозок смазывали также разного рода мазями из древесной смолы. Такие мази получали и из «выкипяченной» долгим нагреванием нефти. Это подтверждается результатами археологических исследований гробниц древних правителей, в которых на осях их колесниц найдены остатки смазки из животных жиров, сгущенных минеральными присадками. Температура плавления этих веществ около 50°С. В архивах имеется перечень растительных масел и животных жиров, использовавшихся для смазывания, составленный Плинием - старшим (23—73 гг. нашей эры).

Известно, что при определенном сочетании материалов в узлах трения, трение и износ могут быть уменьшены. Также было известно, что применение масляных пленок уменьшает трение.

1.3. Средневековая эпоха (400 г. н.э. - 1450 г.)

В течение этого долгого периода времени едва ли произошли какие-либо усовершенствования элементов машин. Эта эпоха может характеризоваться как период стагнации. Вероятно, можно заметить некоторые усовершенствования в выборе материалов. Несколько примеров:

Валы размалывающих камней с зубчатыми передачами (мельница в Бокеле, примерно 1200 год) (Рис.11).

Валы размалывающих камней с зубчатыми передачами

Рис.11. Валы размалывающих камней с зубчатыми передачами

Часовой механизм средневековых часов собора в Уэлсе с металлическими зубчатыми передачами и латунными радиальными подшипниками (1392 год) (Рис.12).

Часовой механизм средневековых часов

Рис.12. Часовой механизм средневековых часов

1.4. Эпоха Возрождения (1450-1600 гг)

Леонардо да Винчи (1452-1519)

Рис.13 Леонардо да Винчи (1452-1519)

Талантливый человек во всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ни делали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек - Леонардо да Винчи (рис. 13) заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века. Эта эпоха характеризуется трудностями в реализации новых теоретических знаний на практике. Некоторые примеры такой ситуации: Примитивные радиальные подшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов (примерно 1500 год) (Рис.14). Но некоторый прогресс может быть отмечен: часовой механизм собора в Юберлингене (1549) (Рис.15).

Радиальные подшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов

Рис.14. Радиальные подшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов

Часовой механизм собора

Рис.15. Часовой механизм собора

Новых смазочных материалов не создавалось, но Леонардо да Винчи обнаружил, что трение может быть уменьшено применением доступных растительных и животных масел. Сначала смазывание было разовым или периодическим, потом появились масляные ванны для смазывания колец.

Леонардо да Винчи занимался многими вопросами деталей машин, трения и износа. В процессе своих исследований он обнаружил, что существует соотношение между нагрузкой и силой трения. Он также определили первые законы сухого трения, суть которых в следующем:

  • Сила трения прямо пропорциональна нагрузке.
  • Сила трения не зависит от видимой (номинальной) площади контакта.
  • Сила трения не зависит от скорости скольжения.

Применяя эти результаты, он установил:

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

Вместе с практическими решениями, касающимися трения, появились первые научные работы по трибологии. Первые научные рассуждения на тему трения твердых тел обнаружены в записях Леонардо да Винчи, датируемых второй половиной XV в., в них много правильных утверждений, подкрепленных расчетами, например, указано на пропорциональность сопротивления трения нагрузке на трущиеся поверхности тел и на то, что тела с шероховатой поверхностью имеют большее сопротивление трения. Таким образом, закон, согласно которому сила трения прямо пропорциональна нагрузке был открыт Леонардо да Винчи, считавшим, что коэффициент трения обычно равен 0,25.

Работы Леонардо да Винчи были забыты, и трением снова стали интересоваться в рамках развития других наук спустя почти два столетия. И. Ньютон сформулировал закон, определяющий зависимость между сопротивлением внутреннего трения жидкости и силой, необходимой для преодоления этого сопротивления.

1.5. Период технической революции от 1500 до 1850 г.

В странах Западной Европы уже в XVI веке начались крупные социально-экономические преобразования. Капиталистический способ производства получал все большее распространение, что, естественно, стимулировало технический прогресс, повышение уровня технологических знаний. Появляются многие яркие изобретения, строятся крупные мануфактуры, оснащенные достаточно совершенными для своего времени станками. Инженеры нуждались в осмыслении имеющегося опыта, чтобы создавать новую, более совершенную технику. Крупные ученые, творившие в ту эпоху, в борьбе с отжившей схоластикой средневековья отстаивали эксперимент как путь познания истины.

Гениальный Галилео Галилей (1564— 1642) уже на рубеже XVI—XVII веков закладывает основы опытного естествознания. Фрэнсис Бэкон (1561—1626) обосновывает необходимость познания мира через опыт, обобщение результатов опыта и проверку выводов на практике.

Следуя за Бэконом в решении практических проблем, ученые обратили внимание на трение. Так, один из крупнейших английских ученых XVII века Роберт Гук (1635— 1703), анализируя работу зубчатых зацеплений, выдвинул требование, чтобы между зубьями не было трения (имеется в виду, по-видимому, трение скольжения). В 1694 г. французский физик и математик Филипп де ля Гир (1640—1718) как бы в ответ на это требование установил, что это можно обеспечить, если профиль зубьев построить по эпициклоиде. Гуку же принадлежит конструкция узла трения, применяемого до сих пор и известного как универсальный шарнир Гука.

Великий Исаак Ньютон (1643—1727) непосредственно не занимался проблемами трибологии, но, изучая сопротивление вращению одного цилиндра относительно другого, концентричного ему, при заполненном жидкостью зазоре между ними, установил в 1668 г., что усилие, вызывающее вращение цилиндра и сдвиг в слое жидкости с постоянной скоростью, пропорционально площади сдвига и градиенту скорости сдвига по толщине зазора при постоянной температуре. Это соотношение, полученное Ньютоном, легло в основу теории гидродинамической смазки, которая была впервые создана в конце XIX века и продолжает развиваться.

В 1706 г. немецкий философ, математик и физик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646—1736) заинтересовался природой трения. Со свойственной ему проницательностью он приходит к заключению, что коэффициент трения зависит и от природы трущихся тел, и от условий процесса (например, скольжение или качение тел). Тем самым он надолго опережает представления современников, хотя в принципе он не отрицает законов Амонтона.

Модель Леонардо да Винчи 1519 года, утверждающая, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижима), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта, была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш. О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула:

Fтр = fтр•P

где P - сила прижатия, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов.

Этот период охарактеризовался замечательными достижениями в конструировании подшипников и зубчатых передач. Примеры этого следующие:

Определение эвольвенты зубчатого колеса и геометрических принципов зубчатых зацеплений Хьюгенсом (1665), де ла Найэром (1694) и Леопольдом.

Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками (17 век) (Рис.16).

Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками

Рис.16. Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками

Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипниковыми блоками для компенсации износа (Плюмис, 1701 год) (Рис.17).

Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипниковыми блоками

Рис.17. Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипниковыми блоками

Однако все еще находили некоторое применение деревянные зубчатые передачи.

Новые смазочные материалы не разрабатывались, однако применение смазки становится все более важным.

В китайских публикациях за 1637 год мы можем прочесть что "одна капля масла в подшипник делает повозку, а тысяча капель - корабль, готовым к эксплуатации".

Многие исследователи осознали, что свиной жир (Амонтон, Де Ла Найар) и растительные масла могут использоваться как смазочные материалы.

Все больше и больше ученых вовлекаются в разработку теорий трения и изнашивания. Вот некоторые примеры:

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

Период от 1750 - 1850 г. характеризуется улучшением в понимании функционирования элементов и деталей машин, что и привело к более совершенным их конструкциям, это эра Джеймса Ватта.

Примеры зубчатых зацеплений:

Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла (1758) (Рис.18.).

Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла

Рис.18. Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла

Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом (1781) (Рис.19).

Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом

Рис.19. Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом

Примеры радиальных подшипников:

Предложение конструкции радиальных подшипников для осей экипажа, сделанные Фелтоу (1794) (Рис.20).

Конструкции радиальных подшипников для осей экипажа

Рис.20. Конструкции радиальных подшипников для осей экипажа

"Высокотехнологичный" подшипник колеса железнодорожного вагона (1830) (Рис.21.).

Подшипник колеса железнодорожного вагона

Рис.21. Подшипник колеса железнодорожного вагона

Примеры роликовых подшипников:

Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии (1770) (Рис.22). Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора (Патент Вогана, 1794) (Рис.23.).

Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии

Рис.22. Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии

Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора

Рис.23. Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора

В этот период для применения были доступны несколько видов животных, растительных и минеральных масел, также как и твердых смазочных материалов. Было выдано несколько патентов на смазочные композиции (формула смазочного материала). Примеры следующие:

  • 1812 год, Британский патент 3573 (Генри Томас Хардакр): Смесь графита и свиного жира (1:4) для получения пластичного смазочного материала;
  • 1835 год, Британский патент 6945 (Натаниэль Партридж): Смесь оливкового масла и извести, растворенная в воде. Для повышения эксплуатационных характеристик необходимо добавлять пальмовое масло, жир или графит;
  • 1848 год, Британский патент 12109 (Джозеф Джон Долан): Состав смазочного материала с высокими эксплуатационными характеристиками
  • Снова развитие фундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризовано перечислением выдающихся ученых того времени и их достижений:
  • Шарль Августин Кулон (1785): подтверждение законов трения Л. Да Винчи и Амонтона.
  • Джордж Рени (1825): измерение трения и износа; первый список коэффициентов трения для различных материалов; зависимость износа от смазки.
  • Шарль Хатчет (1803): зависимость износа от материала.
  • Клод Луи Навье (1822): определение и использование слова "вязкость".
  • Джордж Габриэль Стокс (1845): определение совместно с Клодом Луи Навье уравнений движения, ставших позднее основой гидродинамической теории.

1.6. 75 лет технического прогресса (1850-1925 гг)

В XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно понимается под статическим трением, представим схему простейшего эксперимента. Будем пытаться, сдвинуть тело, с места потянув за трос с пружинным динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается на месте: силы, развиваемой пружиной динамометра, недостаточно. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая приложенную силу. Постепенно увеличиваем перемещение и вместе с ним упругую силу, приложенную к телу. В какой-то момент она оказывается достаточной для того, чтобы стронуть тело с места. Зарегистрированное в этот момент показание динамометра и называют обычно силой статического трения, характеризующего предельные возможности неподвижного (статического) сцепления тел. Если мы будем продолжать медленно вытягивать трос, то тело поедет по поверхности. Оказывается, что регистрируемые в ходе движения показания динамометра будут не такими, как в момент страгивания. Обычно сила трения при медленном движении меньше силы страгивания, статического трения. Кулон изучал именно силу трения при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления движения (всегда направлена против движения).

Конец XIX века ознаменовался замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году разработал первую и принципиально на то время новую теорию смазки.

Она заключалась в том, что при наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, Кулонова сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости. Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется Штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости приобрела форму, использующуюся до сегодняшнего дня.

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку - трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов - дело химиков). Только в США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, и в мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей. Тогда как все еще довольно примитивные конструкции применялись для подшипников и зубчатых передач, а также выбор материалов был очень простым, некоторые значительные усовершенствования могли быть отмечены:

Смазываемый водой радиальный подшипник для буксы, сконструированный Артсом (1860) (Рис.24).

Радиальный подшипник для буксы

Рис.24. Радиальный подшипник для буксы

Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом, основателем СКФ. Шарикоподшипник с само регулируемым угловым контактом (Рис.25).

Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом

Рис.25. Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом

Зубчатая передача для первого электрического локомотива, сконструированная Сименсом (1879) (Рис.26.).

Зубчатая передача для первого электрического локомотива

Рис.26. Зубчатая передача для первого электрического локомотива

Ведущая шестерня главной передачи для автомобиля (1902) (Рис.27).

Зубчатая передача для первого электрического локомотива

Рис.27. Зубчатая передача для первого электрического локомотива

В области смазочных материалов были сделаны следующие достижения: Растительные и животные масла интенсивно вытеснялись минеральными маслами. Наиболее характерными для практического применения были следующие смазочные масла, полученные дистилляцией (перегонкой) и очисткой (1916): легкое и тяжелое веретённое масло; компрессорное масло; легкие и тяжелые машинные масла; очищенные цилиндровые масла.

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

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

Вот ряд знаменитых имен:

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

1.7. Эпоха трибологии - с 1925 года по настоящее время

Этот период времени будет освещен очень кратко. Если попытаться оценить все важнейшие достижения за этот период времени, то объем материала выйдет за рамки, отведенные под исторический анализ развития науки о трении и изнашивании. Особенно внушительны достижения в области машиностроения (конструирование узлов трения) и они требуют отдельной главы или статьи.

Подшипники и зубчатые передачи получили дальнейшее развитие путем внедрения теоретических разработок в практику. Этот процесс происходил на основе оптимизации узлов трения, выбора материалов, обработки поверхностей и смазки. Как следствие, возросли ресурс и межремонтные периоды эксплуатации механизмов и оборудования.

Для этого периода характерны следующие особенности:

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

Необходимо выделить четыре основных момента для характеристики этого аспекта трибологии:

  • Применение этого решения к узлам трения, работающим в условиях гидродинамической смазки. Гидродинамические подшипники превратились в рассчитываемые узлы машин.
  • Приближенные решения уравнения Рейнольдса (например, Мишель Освирк Ду Бойс, Кингсбери, Камерон, Сасенфельд/Вальтер).
  • Эластогидродинамическое решение уравнения Рейнольдса (например, Дункан Доусон совместно с Хигинсоном).
  • Применение эластогидродинамического решения для расчета тяжело нагруженных смазываемых контактов.

В настоящее время трибология признана всеми. Как отдельный предмет она преподается во многих высших и средних учебных заведениях и на курсах повышения квалификации. Созданы специализированные исследовательские центры, во многих институтах трибологические проблемы являются одним из важнейших направлений исследований.

Выпущено большое количество книг по трибологии и триботехнике, выходят специализированные периодические издания. Во многих странах действуют научные трибологические общества. Организуются национальные и международные конгрессы, конференции и симпозиумы.

Огромное значение трибологии и триботехники способствует быстрому их развитию, обучению трибологов всех уровней, росту количества публикаций и созданию исследовательских трибологических центров.

1.8. 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 сцепления 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. Рейнольде, А. Кингсбери, Герси и др.).

В период развития индустрии в России широко развернулись работы в области триботехники. Первый обзор о развитии учения о трении и изнашивании в нашей стране был выполнен в 1947 г. профессором Ленинградского политехнического института А.К. Зайцевым в книге "Основы учения о трении, износе и смазке машин". В 1956 г. И.В. Крагельский и B.C. 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 в. до 40-х гг. нашего 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 г. 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: развитие 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.

Б.И. Костецкий и его ученики в 1976 г. в книге "Поверхностная прочность материалов при трении" (Киев, "Техника") обобщили работы по изучению процессов трения и поверхностного разрушения, а также по вопросам образования вторичных структур при трении в условиях граничной смазки. Отмеченные вопросы рассмотрены более подробно в работе.

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.


назад