Лекция №1

Трибология — это наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Название этой научной дисциплины образовано из греческих слов «трибос» — трение и «логос» — наука. Трибология как научная дисциплина охватывает экспериментально-теоре­тические исследования физических (ме­ханических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологи­ческих и других явлений, связанных с трением.

Триботехника — это упо­рядоченные знания о практическом применении трибологии. Трению со­путствуют процессы трибологического изнашивания, и использование этих знаний на практике является важным разделом триботехники.

Трибология является наукой о внеш­нем трении твердых тел и внутреннем трении твердых и жидких тел, а триботехника — наукой о практическом применении трибологии при проектировании, изготовлении и эксплуата­ции трибологических систем.

Триботехническая система — сложная термодинамическая система, образуемая при взаимодействии трущихся тел, а также промежуточной среды и части окружающей среды. Это комплекс взаимосвязанных явлений и связей, возникающих при реализации процессов трения, изнашивания и теплообразования.

Основные аспекты развития

Некоторые трибологические законы человек узнал и научился использовать очень давно. Человек палеолита, добывая огонь, использовал явление преобразования работы трения огнива, т.е. приспособления из кремния, дерева или железа, в теплоту, которая служила ему для разведения огня.

Явления трения использовались также при перемещении (волочении) тяжелых пред­метов, их транспортировали на санях, которые тянули люди или животные, преодолевая, таким образом, сопротивление трения скольжения. Оно требовало только 30-40 % силы, необходимой для переноски этих предметов.

На рис. 1.4 изображено транспор­тирование статуи в Древнем Египте с использованием для этой цели саней. Силы трения скольжения были, од­нако, слишком велики, и поэтому для уменьшения сопротивления трения скольжения при транспортировании, например, тяжелых деталей каменных фигур под несущие балки подкладывали круглые деревянные катки (рис. 1.5) За счет этого значительно снижалась сила, необходимая для пе­ремещения тяжелых конструктивных элементов древних строений, посколь­ку трение скольжения заменялось трением качения. В некоторых слу­чаях (рис. 1.6) трущиеся элементы смазывались маслом для уменьшения сопротивле­ния трения, потому что внешнее трение твердых тел заменялось внутрен­ним трением жидкости. Трение качения и трения скольжения – сухое трение без смазки – трение между двумя твердыми поверхностями.

Накопленный опыт замены трения скольжения трением качения стал фундаментальным для эпохального изобретения, каким стало изобрете­ние колеса. Оно позволило существенно снизить сопротивление трения, потому что трение скольжения было заменено трением качения.

Человек продолжал искать способы облегчения условий работы животным и людям, используемым в качестве тяговой силы в колесном транспорте. Начались поиски способов уменьшения трения скольжения оси в простых транспортных средствах: колесницах, тачках и в механических устройствах: мельницах, гончарных кругах и т. д.

Все применявшиеся тогда методы сводились к усовершенствованию кон­струкции подшипников скольжения и снижению сопротивления трения скольжения. Подшипники скольжения смазывались. Применение смазки стало следующим этапом развития, от внешнего трения перешли к внутреннему (рис!). 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 потому, стекая, они недолго смазывают зоны трения скольжения, кроме того, они быстро высыхают. В связи с этим их стали сгущать и постепенно заменять животными жирами.

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).

Такого рода смазочные вещества использовались повсеместно до изобретения паровой машины в 1801 г. Только в начале нашего столетия довольно широко стали использоваться минеральные масла, а синтетические масла получили распространение лишь и конце 30-х годов.

Сначала смазывание было разовым или периодическим, потом появились масляные ванны для смазывающих колец. Некоторые типы подшипников скольжения представлены на рис. 1.8.

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, т. е. F = f N, был открыт Леонардо да Винчи, считавшим, что коэффициент трения f 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. Хотя И. Ньютон открыл этот закон в 1686 г., он и в наше время остается основным законом ламинарного течения. В. XVII—XVIII вв. произошло бы­строе развитие техники (улучшенные водяные колеса, паровая машина и т. д.) и науки. Возникшие в разных странах академии наук занимались и наукой о трении. В 1699 г. ориги­нальные работы по трению в Ежегодниках французской королевской академии наук опубликовал Г. Амонтон. Он снова открыл забытый закон трения Леонардо да Винчи: сила трения пропорциональна нагрузке на трущиеся поверхности, и трение не зависит от размеров трущихся тел, а коэффициент трения f не изменяется и равен 0,3. Оба закона находят применение до сих пор и в ряде случаев дают хорошие рабочие приближения.

Рассуждения на тему влияния адге­зии на трение появляются и в работах Ш. Кулона, который заметил, что увеличение поверхности контакта при­водит к увеличению сопротивления трения. В 1778 г. он первым предложил двухчленную формулу, согласно ко­торой F = А + BN, где А — харак­теристика сцепленности, не зависящая"от нагрузки. Это была первая формула, которой учитывались два вида тангенциального сопротивления — зависящих от внешней нагрузки.

Однако этот закон был забыт, и до начала XX в. в инженерной практике применялся закон Леонардо да Винчи-Амонтона, который иногда неправильно называют законом Кулона.

Ш. Кулон в 1781 г. Опубликовал знаменитую «Теорию простых машин», в которой обосновал положение о возникновении сопротивления в результате сцепления поверхностных неровностей. Им был сделал вывод о рассеянии энергии при трении. (Рис*).

Во второй половине XIX в. уже немало было написано о трении и смазке. Б. Тауэр случайно открыл явление возникновения динамического давления в результате относительного движения слоев смазки. (Рис*) Рейнольдс на основании опытов Б. Тауэра обнаружил, что действие масла — это ги­дродинамическое явление, связанное с вязкостью масла. Он разработал теорию гидродинамической смазки («О теории смазки и применении ее к эксперименту г. Б. Тауэра, включая опытное определение вязкости олив­кового масла», 1886 г.).

Несколько раньше, независимо от Рейнольдса основы теории гидродинамической смазки разработал Н. П. Петров («Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидко­сти», 1883 г.). На переломе XIX и XX вв. растительные масла и живот­ные жиры постепенно были заменены минеральными маслами, получаемыми из нефти.

Большой вклад в развитие трибологии и триботехники внесли современные отечественные и зарубежные ученые: И.В. Крагельский, А.В. Чичинадзе, Д.Н. Гаркунов, М. Хебда, Х. Чихос, Н. Айсс, П. Блау, К. Будински и др.

В первой половине XX в. появляются профессиональные объединения, на­пример Американское общество ин­женеров-смазчиков (American Society of Lubrication Engineers, 1944 г.).

Термин «трибология» впервые был употреблен группой британских экс­пертов (британский комитет инженеров и механиков) в рапорте парламенту о состоя­нии проблем смазки. (1966 г.)