ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в окружающем нас мире немыслим без развития машин и оборудования. Из года в год увеличивается их общее количество и удельная мощность. Наблюдается явная тенденция ужесточения режимов их эксплуатации, рост количества расходуемого топлива, смазочного материала и запасных частей, резкого увеличения объема ремонтных работ. По данным ООН, более трети вырабатываемой в мире энергии идет на преодоление сил трения, а четверть вырабатываемого металла расходуется только на восстановление потерь, связанных с износом деталей и узлов в машинах. В условиях наблюдающегося в мире истощения топливных и материальных запасов, а также значительного возрастания требований к надежности и долговечности машин остро встает вопрос о поиске мероприятий, способствующих решению этой актуальной проблемы. И среди них может оказаться более эффективное использование достижений в области трения, изнашивания и смазочных материалов, объединенных в понятии трибологии - производного от слова "Tribo", что в переводе с греческого означает трение.

В 80...90 % случаев машины выходят из строя по причинам повреждения узлов трения. Во многом это бывает связано как непосредственно с трением, так и с его воздействием. По экспертным оценкам ведущих в мире специалистов по трибологии, только применение уже достигнутых результатов в этой области может уменьшить повреждаемость машин на 25...30 %. Причем первые 10...15 % из них - практически без всяких капиталовложений, а только за счет более грамотного обслуживания машин и применения уже известных смазочных веществ - материалов и технологий.

По характеру своего проявления и действию трение и изнашивание твердых тел представляют собой на первый взгляд чисто механическое явление. Величину трения и износа легко измерить и оценить. Однако в основе формирования сил трения и изнашивания лежат сложные механические, физические и химические процессы. И с этим связано то, что далеко не всегда усматривается прямая зависимость между трением и износом, реализуемыми в узлах трения машин.

Большой вклад в развитие учения о трении, износе и смазках сделали И.В.Крагельский, Б.В.Дерягин, П.А.Ребиндер, М.М.Хрущев, Ф.П.Боуден, Н.Б.Демкин, Н.А.Буше, Н.М.Михин, А.В.Чичинадзе, А.С.Ахматов и др. Особое внимание при этом заслуживают труды крупных трибологов (представленные в виде учебников, методических разработок и справочников), направленные на обучение инженерно-технических работников. Это, прежде всего, работы И.В.Крагельского с соавторами, Н.Б.Демкина, Н.А.Буше, А.В.Чичинадзе, Д.Н.Гаркунова, Б.И.Костецкого, Э.Д.Брауна с соавторами и др., многие из которых уже сейчас стали, к сожалению, библиографической редкостью.

Настоящее пособие предназначено для студентов механических специальностей и слушателей курсов повышения квалификации, изучающих курс "Триботехника". В нем излагаются основные представления о природе фрикционного взаимодействия и износа трущихся тел, об основах смазочного действия. Делаются акценты на поиски внутренней связи между твердыми телами, жидкостью (смазочной средой) и окружающей атмосферой. Формулируются условия для безаварийной работы узлов трения. Рассматриваются существующие методы испытания фрикционных материалов и технологические методы, направленные на повышение износостойкости и эффективности использования узлов трения.

1. Трибология и триботехника

1.1. Основные понятия

Окружающий нас материальный мир находится в непрерывном движении. Движение осуществляется как на микро- так и на макроуровнях. В движении находятся атомы, ионы и молекулы, а также тела, детали узлов трения машин, сами машины и планеты. Если на микроуровнях характер движения частиц определяется, в конечном счете, температурой тела, то на макроуровне - уже работой, эквивалентной силе, затрачиваемой на единицу пути перемещающихся тел.

Сопротивление относительному движению тел принято характеризовать понятием трения. Трение всегда связано с поглощением внешней, чаще всего механической работы и рассеиванием реализуемой во фрикционной паре энергией, преимущественно в виде тепла.

Развитие учения о трении начиналось с периода деятельности первобытного человека и продолжается по настоящий день.

Трение в деятельности человека играет как положительную, так и отрицательную роль. Известно, что внезапное уменьшение трения, происходящее между колесами автомобиля или локомотива с дорожным покрытием или рельсами, делает совершенно беспомощной эту мощную транспортную технику для совершения ею поступательного движения вперед и создает крайне опасную ситуации при необходимости торможения транспортных средств. Без устойчивого трения становится также невозможной работа многих механических передач, тормозов и муфт. Помимо достижения решения ряда технических задач преодоление сил трения всегда связано с большим расходованием энергии. Известно, что у хорошо отлаженного современного реактивного авиационного двигателя на это расходуется до 2 % его мощности, у автомобильного двигателя – 26...44 %, у локомотивов - более 50 %, а у текстильных машин - более 80 % от затрачиваемой ими мощности. В условиях реальной эксплуатации машин, отмеченные выше потери энергии от трения, как правило, возрастают.

Реализуемые в зоне трения силы и генерируемая там энергия, в свою очередь, воздействуют на материал трущихся тел и приводят к его изнашиванию. Этот процесс, заметный иногда для наблюдателя, приводит узлы трения машин к состоянию, когда дальнейшая эксплуатация их становится нерациональной или даже опасной.

Процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и остаточной деформации тела, получил название изнашивание, а сам результат изнашивания - износ. В соответствии с характером нарушения фрикционных связей между телами различают процессы микрорезания, молекулярного схватывания, пластического и упругого разрушения контактов. В реальных машинах обычно реализуются одновременно все эти виды разрушения тел, хотя в отдельных случаях отдельные из них могут оказаться и превалирующими.

Трение и износ материалов весьма чувствительны к влиянию внешней среды. В зависимости от качества и количества инородных тел, попадающих в зону трения, силы трения между контактирующими телами могут меняться в десятки и сотни раз. И это явление широко используется для управления трением и износом в машинах с помощью специально подобранных смазочных материалов.

В общем случае смазочным материалом называется материал, подаваемый на поверхность трения для уменьшения скорости изнашивания и силы трения. Природа и свойства смазочного материала могут быть весьма разнообразны. Наибольший эффект от применения смазочных материалов наблюдается в условиях, когда их выбор осуществляется с учетом действительных свойств материала контактирующих тел, конструкцией узла трения и условиями его нагружения.

Наука о трении и процессах, сопровождающих трение, получила название трибология (от греч. "трибос" - трение и "логос" – наука). Она охватывает экспериментальные и теоретические исследования физических, механических, химических и других явлений, связанных с трением, и базируется на материалах ряда специальных дисциплин. Самостоятельными ее разделами стали трибофизика, трибохимия, трибобиология, фрикционное материаловедение, тепловая динамика трения и химотология - раздел науки о свойствах, качестве и рациональном использовании топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей во фрикционных парах.

Наука же о практическом использовании трибологии при проектировании, изготовлении и эксплуатации трибологических систем получила название триботехника.

В настоящее время еще нет законченной, точной и полной теории, описывающей все случаи фрикционного взаимодействия трущихся тел. Современное развитие науки вооружает нас подходами к решению ряда частных задач, имеющих уже сейчас большое практическое значение. Триботехника открывает возможности для принятия обоснованных и грамотных решений по уменьшению энергетических потерь и увеличению срока службы машин и оборудования, а также позволяет более эффективно решать вопросы снижения объемов неблагоприятных воздействий машин и оборудования на экологию окружающего нас мира.