Трибология - Tribology

Трибология наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительных движение. Он включает изучение и применение принципов трение, смазка, и носить. Трибология очень междисциплинарна. Он опирается на многие академические области, в том числе физика, химия, материаловедение, математика, биология, и инженерное дело. Людей, работающих в области трибологии, называют трибологи.^[1]

Этимология

Слово трибология происходит от Греческий корень τριβ- глагола τρίβω, трибо, "Я тру" на классическом греческом языке, и суффикс -логия из -λογία, -логия «изучение», «знание». Питер Йост придумал это слово в 1966 году,^[1] в одноименном отчете, где отмечена стоимость трение, носить и коррозия в экономику Великобритании.^[2]

История

Трибологические эксперименты, предложенные Леонардо да Винчи

Ранняя история

Несмотря на относительно недавнее название области трибологии, количественные исследования трение можно проследить еще в 1493 году, когда Леонардо да Винчи первым отметил два основных «закона» трение.^[3] По словам да Винчи, сопротивление трению было одинаковым для двух разных объектов одинакового веса, но контактирующих при разной ширине и длине. Он также заметил, что сила, необходимая для преодоления трения, удваивается по сравнению с удвоением веса. Однако открытия да Винчи остались неопубликованными в его записных книжках.^[3]

Два основных `` закона '' трение были впервые опубликованы (в 1699 г.) Гийом Амонтон, с именем которого они теперь обычно ассоциируются. Они заявляют, что:^[3]

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

Хотя эти простые утверждения не применимы повсеместно, они применимы к удивительно широкому кругу систем.^[4] Эти законы получили дальнейшее развитие Шарль-Огюстен де Кулон (в 1785 г.), который заметил, что сила статического трения может зависеть от времени контакта и скольжения (кинетического) трение может зависеть от скорости скольжения, нормальной силы и площади контакта.^[5][6]

В 1798 г. Чарльз Хэтчетт и Генри Кавендиш провела первые надежные испытания на трение носить. В исследовании, проведенном по заказу Тайный совет Великобритании, они использовали простую поршневую машину для оценки носить скорость золотые монеты. Они обнаружили, что монеты с зернистостью между ними изнашиваются быстрее по сравнению с самопрягаемыми монетами.^[7] В 1860 г. Теодор Рей^[а] предложил Гипотеза Рея [Это ].^[9] В 1953 г. Джон Фредерик Арчард разработал Уравнение Арчарда который описывает износ скольжения и основан на теории неровность контакт.^[10]

Другие пионеры трибологических исследований - австралийский физик. Фрэнк Филип Боуден^[11] и британский физик Дэвид Табор,^[12] оба из Кавендишская лаборатория в Кембриджском университете. Вместе они написали основополагающий учебник Трение и смазка твердых тел^[13] (Часть I была 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. Нила уважали как педагога с даром объединять теоретическую работу с собственным практическим опытом для создания простых для понимания руководств по дизайну. 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-проектировщиков.

Дункан Доусон исследовал историю трибологии в своей книге 1997 г. История трибологии (2-е издание).^[5] Это касается развития от доисторических времен до ранних цивилизаций (Месопотамия, древний Египет ) и освещает ключевые события до конца двадцатого века.

Отчет Йоста

Период, термин трибология стал широко использоваться после В Jost Отчет опубликовано в 1966 году.^[1] В отчете подчеркивается огромная стоимость трения, износа и коррозии для экономики Великобритании (1,1–1,4% от ВВП ).^[1] В результате Великобритания Правительство создало несколько национальных центров для решения трибологических проблем. С тех пор этот термин распространился в международном сообществе, и многие специалисты теперь называют его «трибологами».

Значимость

Несмотря на значительные исследования, проведенные с Отчет Jost, глобальное влияние трение и носить на потребление энергии, экономические расходы и выбросы углекислого газа по-прежнему значительны. 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, выработка энергии, и Жилой. Были сделаны следующие выводы:^[15]

• В общей сложности около 23% мирового потребления энергии приходится на трибологические контакты. Из них 20% приходится на преодоление трения, а 3% - на восстановление изношенных деталей и запасного оборудования из-за износа и связанных с износом.
• Используя преимущества новых технологий для снижения трения и защиты от износа, потери энергии из-за трения и износа в транспортных средствах, механизмах и другом оборудовании по всему миру могут быть сокращены на 40% в долгосрочной перспективе (15 лет) и на 18% в краткосрочной перспективе. (8 лет). В глобальном масштабе эта экономия составит 1,4% от ВВП ежегодно и 8,7% от общего потребления энергии в долгосрочной перспективе.
• Наибольшая краткосрочная экономия энергии предусмотрена в транспорт (25%) и в выработка энергии (20%), а потенциальная экономия в производство и Жилой сектора оцениваются в ~ 10%. В более долгосрочной перспективе экономия составит 55%, 40%, 25% и 20% соответственно.
• Внедрение передовых трибологических технологий также может снизить глобальные выбросы углекислого газа на целых 1460 миллионов тонн эквивалента диоксида углерода (MtCO₂) и в результате получится 450 000 миллионов Евро экономия затрат в краткосрочной перспективе. В долгосрочной перспективе сокращение может составить 3140 млн тCO.₂ и экономия 970 000 миллионов евро.

Классическая трибология, охватывающая такие области применения, 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]

Физика

Трение

Основная статья: Трение

Слово трение происходит от латинского «frictionem», что означает трение. Этот термин используется для описания всех диссипативных явлений, способных производить тепло и противодействовать относительному движению между двумя поверхностями. Есть два основных типа трения:

Статическое трение

Что происходит между поверхностями в фиксированном или относительно неподвижном состоянии.

Динамическое трение

Что происходит между поверхностями в относительном движении.

Изучение явлений трения является преимущественно эмпирическим исследованием и не позволяет достичь точных результатов, а позволяет лишь сделать полезные приблизительные выводы. Эта невозможность получить определенный результат объясняется чрезвычайной сложностью явления. При более внимательном изучении в нем появляются 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 действительны в большинстве случаев:

Первый закон Амонтона

Трение не зависит от видимой области контакта.

Второй закон Амонтона

Сила трения прямо пропорциональна нормальной нагрузке.

Третий закон Кулона

Динамическое трение не зависит от относительной скорости скольжения.

Статическое трение

Рассмотрим блок определенной массы m, расположенный в спокойном положении на горизонтальной плоскости. Если вы хотите переместить блок, внешняя сила ${\displaystyle {\vec {F}}_{out}}$ необходимо приложить, таким образом мы наблюдаем определенное сопротивление движению, создаваемое силой, равной приложенной силе и противоположной ей, а именно статической силой трения. ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$.^[18]

Постоянно увеличивая прилагаемую силу, мы получаем такое значение, что блок начинает мгновенно двигаться. На этом этапе, также принимая во внимание первые два закона трения, указанные выше, можно определить силу статического трения как силу, равную по модулю минимальной силе, необходимой для движения блока, и коэффициент статического трения. ${\displaystyle \mu }$ как отношение силы статического трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$. и нормальная сила в блоке ${\displaystyle {\vec {N}}}$, получение

$${\displaystyle {|{\vec {F}}_{s.f.}|}\leq \mu {|{\vec {N}}|}}$$

Динамическое трение

После того, как блок был приведен в движение, сила трения с меньшей интенсивностью, чем сила статического трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$, которая представляет собой динамическую силу трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$В этом случае необходимо учитывать не только первые два закона Амонтона, но и закон Кулона, чтобы иметь возможность утверждать, что связь между динамической силой трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$, коэффициент динамического трения k и нормальная сила N следующие:

$${\displaystyle |{\vec {F}}_{d.f.}|=k{|{\vec {N}}|}}$$

Статический и динамический коэффициент трения

Динамический и статический коэффициент

На этом этапе можно обобщить основные свойства коэффициентов статического трения. ${\displaystyle \mu }$ и динамичный ${\displaystyle k}$.

Эти коэффициенты являются безразмерными величинами, определяемыми соотношением между интенсивностями силы трения ${\displaystyle {\vec {F}}_{f}}$и интенсивность приложенной нагрузки ${\displaystyle {\vec {W}}}$, в зависимости от типа поверхностей, которые участвуют во взаимном контакте, и в любом случае всегда выполняется условие, так что:${\displaystyle \mu >k}$.

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

В следующей таблице приведены значения статических и динамических коэффициентов трения для обычных материалов:

Таблица наиболее часто используемых статических и динамических коэффициентов трения

Контактные поверхности	Статическое трение	Динамическое трение
Дерево – дерево	0.25–0.5	0.2
Дерево – картон	0.32	0.23
Лед – лед	0.1	0.02
Scioled wood лыжи – снег	0.04	0.04
Стекло – стекло	0.9–1.0	0.4
Сталь – сталь (гладкая)	0.6	0.6
Сталь – сталь (со смазкой)	0.09	0.05
Сталь-лед	0.1	0.05
Сталь-лед (сухой)	0.78	0.42
Сталь – алюминий	0.61	0.47
Сталь – латунь	0.51	0.44
Сталь – воздух	0.001	0.001
Сталь-тефлон	0.04	0.04
Тефлон – тефлон	0.04	0.04
Резино-цементный (сухой)	1.0	0.8
Резино-цементный (мокрый)	0.7	0.5
Медь – сталь	0.53	0.36
Медь – стекло	0.68	0.53
Синовиальных суставов	0.01	0.003

Трение качения

В случае тел, способных катиться, существует особый тип трения, в котором явления скольжения, типичного для динамического трения, не возникает, но также существует сила, которая препятствует движению, что также исключает случай статического трение. Этот тип трения называется трением качения. Теперь мы хотим подробно наблюдать, что происходит с колесом, которое катится по горизонтальной плоскости. Изначально колесо неподвижно, и действующие на него силы являются силой веса. ${\displaystyle m{\vec {g}}}$ и нормальная сила ${\displaystyle {\vec {N}}}$дается реакцией на вес пола.

В этот момент колесо приводится в движение, вызывая смещение в точке приложения нормальной силы, которая теперь прилагается перед центром колеса на расстоянии б, равный значению коэффициента трения качения. Противодействие движению вызвано разделением нормальной силы и силы веса в тот момент, когда начинается качение, поэтому значение крутящего момента, создаваемого силой трения качения, равно

$${\displaystyle {{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}}$$

трение качения

То, что происходит в деталях на микроскопическом уровне между колесом и опорной поверхностью описана на фиг, где можно наблюдать, что поведение реакционных сил деформированной плоскости, действующей на неподвижном колесе.

Непрерывное вращение колеса вызывает незаметные деформации плоскости, и при переходе в следующую точку плоскость возвращается в исходное состояние. В фазе сжатия плоскость противодействует движению колеса, в то время как в фазе декомпрессии она дает положительный вклад в движение.

Сила трения качения зависит, следовательно, на малых деформациях, понесенных опорную поверхность и самого колесом, и может быть выражена как ${\displaystyle |{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|}$, где можно выразить б по отношению к коэффициенту трения скольжения ${\displaystyle \mu }$ в качестве ${\displaystyle b={\mu v \over r}}$, с р радиус колеса.

Поверхности

Пойдя еще глубже, можно изучить не только самую внешнюю поверхность металла, но и непосредственно более внутренние состояния, связанные с историей металла, его составом и производственными процессами, которым подвергался последний.

Металл можно разделить на четыре разных слоя:

1. Кристаллическая структура - основная структура металла, объемная внутренняя форма;
2. Обработанный слой - слой, который также может иметь включения инородного материала и образовался в результате технологических процессов, которым подвергался металл;
3. Закаленный слой - имеет кристаллическую структуру большей твердости, чем внутренние слои, благодаря быстрому охлаждению, которому они подвергаются в рабочих процессах;
4. Наружный слой или оксидный слой - слой, который создается в результате химического взаимодействия с металлической средой и отложения примесей.

Слой оксидов и примесей (третье тело) имеет фундаментальное трибологическое значение, фактически он обычно способствует снижению трения. Еще один фундаментально важный факт, касающийся оксидов, заключается в том, что если бы вы могли очистить и сгладить поверхность, чтобы получить чистую «металлическую поверхность», мы бы наблюдали объединение двух соприкасающихся поверхностей. Фактически, в отсутствие тонких слоев загрязняющих веществ атомы рассматриваемого металла не могут отличить одно тело от другого, поэтому при соприкосновении с ними они образуют единое тело.

Происхождение трения

Контакт между поверхностями, в действительности, представляет собой контакт между шероховатостью и источником явления трения и, следовательно, рассеивания энергии, происходит именно из-за деформаций, которым эти неровности подвергаются из-за нагрузки и относительного движения. Могут наблюдаться пластические, упругие или разрывные деформации:

• 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, которые приводят к разрыву неровностей и созданию новых участков контакта.

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

Участие в явлениях температурного трения является фундаментальным во многих аспектах применения, например, в случае тормозов. Если температура повышается слишком сильно, возникает риск чрезмерного снижения коэффициента трения и, как следствие, резкого снижения эффективности тормозов.

Теория сплоченности

Теория адгезии утверждает, что в случае соприкасающихся друг с другом сферических неровностей, подвергающихся воздействию ${\displaystyle {\vec {W}}}$ под нагрузкой наблюдается деформация, которая по мере увеличения нагрузки переходит от упругой к пластической деформации. Это явление связано с увеличением реальной площади контакта. ${\displaystyle A_{r}}$, который по этой причине может быть выражен как:

$${\displaystyle A_{r}={{\vec {W}} \over D}}$$

где D - твердость материала, определяемая делением приложенной нагрузки на площадь контактной поверхности.

Если в этот момент две поверхности скользят между ними, сопротивление сдвигу т наблюдается, учитывая наличие адгезионных связей, которые были созданы именно из-за пластических деформаций, и поэтому сила трения будет определяться

$${\displaystyle {\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}}$$

На этом этапе, поскольку коэффициент трения представляет собой отношение между интенсивностью силы трения и силой приложенной нагрузки, можно утверждать, что

$${\displaystyle \mu ={t \over D}}$$

это относится к двум свойствам материала: прочности на сдвиг т и твердость. Для получения низких значений коэффициентов трения ${\displaystyle \mu }$ можно использовать материалы, требующие меньшего напряжения сдвига, но при этом очень твердые. В случае смазочных материалов мы используем подложку из материала с низким напряжением резания. т, размещенный на очень твердом материале.

Сила, действующая между двумя контактирующими твердыми телами, будет иметь не только нормальные составляющие, как предполагалось до сих пор, но также и тангенциальные составляющие. Это еще больше усложняет описание взаимодействий между шероховатостями, потому что из-за этого тангенциального компонента пластическая деформация сопровождается меньшей нагрузкой, чем при игнорировании этого компонента. Более реалистичное описание площади каждого создаваемого перекрестка дает

$${\displaystyle {A_{i}}^{2}=({{\vec {W}}_{i}/D})^{2}+\alpha ({\vec {F}}_{i}/D)^{2}}$$

с ${\displaystyle \alpha }$ постоянная и "касательная" сила ${\displaystyle {\vec {F}}_{i}}$ применяется к суставу.

Чтобы получить еще более реалистичные соображения, феномен третье тело Также следует учитывать наличие посторонних материалов, таких как влага, оксиды или смазочные материалы, между двумя контактирующими твердыми телами. Затем вводится коэффициент c, который может соотносить прочность на сдвиг т чистого "материала" и третьего тела ${\displaystyle t_{t.b.}}$

$${\displaystyle t=c\cdot t_{t.b.}}$$

с 0

Изучая поведение на предельных значениях, будет видно, что для c = 0 t = 0 и для c = 1 оно возвращается к состоянию, в котором поверхности находятся в прямом контакте и нет никакого третьего тела. С учетом сказанного можно исправить формулу коэффициента трения следующим образом:

$${\displaystyle \mu ={{c} \over {[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}}$$

В заключение рассмотрен случай взаимодействия упругих тел между собой.

Подобно тому, что мы только что видели, можно определить уравнение типа

$${\displaystyle A=K{\vec {W}}}$$

где в этом случае K зависит от упругих свойств материалов. Также для упругих тел тангенциальная сила зависит от коэффициента c, показанного выше, и будет

$${\displaystyle {\vec {F}}_{T}=cAs}$$

и поэтому можно получить достаточно исчерпывающее описание коэффициента трения

$${\displaystyle \mu =cKs}$$

Измерения трения

Самый простой и самый быстрый метод оценки коэффициента трения двух поверхностей - это использование наклонной плоскости, по которой скользит блок материала. Как видно на рисунке, нормальная сила плоскости определяется выражением ${\displaystyle mgcos\theta }$, а сила трения равна ${\displaystyle mgsin\theta }$. Это позволяет нам утверждать, что коэффициент трения можно очень легко вычислить, используя тангенс угла, при котором блок начинает скользить. Фактически у нас есть

$${\displaystyle \mu ={F_{a} \over N}={mgsin\theta \over mgcos\theta }={sin\theta \over cos\theta }=tan\theta }$$

Затем от наклонной плоскости мы перешли к более сложным системам, которые позволяют нам учитывать все возможные условия окружающей среды, в которых производятся измерения, например, машина с перекрестными роликами или машина с пальцами и дисками. Сегодня существуют цифровые машины, такие как «Тестер трения», который позволяет с помощью программного обеспечения вводить все желаемые переменные. Другой широко используемый процесс - это испытание на сжатие кольца. Плоское кольцо исследуемого материала пластически деформируют с помощью пресса, если деформация представляет собой расширение как во внутреннем, так и во внутреннем круге, то коэффициенты трения будут низкими или нулевыми. В противном случае для деформации, которая расширяется только во внутреннем круге, будут увеличиваться коэффициенты трения.

Смазка

Основная статья: Смазка

Чтобы уменьшить трение между поверхностями и держать износ под контролем, материалы, называемые смазочные материалы используются.^[19] В отличие от того, что вы могли подумать, это не просто масла или жиры, а любой жидкий материал, который характеризуется вязкостью, например воздух и вода. Конечно, одни смазочные материалы более подходят, чем другие, в зависимости от типа использования, для которого они предназначены: например, воздух и вода легко доступны, но первые могут использоваться только в условиях ограниченной нагрузки и скорости, а вторые. может способствовать износу материалов.

С помощью этих материалов мы пытаемся достичь идеальной жидкой смазки или такой смазки, которая позволяет избежать прямого контакта между рассматриваемыми поверхностями, создавая между ними смазочную пленку. Для этого есть две возможности, в зависимости от типа применения, необходимых затрат и желаемого уровня «совершенства» смазки, есть выбор между:

• Гидростатическая смазка (или гидростатическая в случае минеральных масел) - заключается во введении смазочного материала под давлением между контактирующими поверхностями;
• Жидкостная смазка (или гидродинамика) - заключается в использовании относительного движения между поверхностями для проникновения смазочного материала.

Вязкость

Основная статья: Вязкость

Вязкость эквивалентна трению в жидкости, она фактически описывает способность жидкости противостоять силам, вызывающим изменение формы.

Благодаря исследованиям Ньютона было достигнуто более глубокое понимание этого явления. Он, по сути, ввел понятие ламинарный поток: «поток, скорость которого изменяется от слоя к слою». Можно идеально разделить жидкость между двумя поверхностями (${\displaystyle S_{1}}$, ${\displaystyle S_{2}}$) области A в различных слоях.

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

Из сказанного можно утверждать, что сила F, необходимая для того, чтобы вызвать перекатывающее движение в жидкости, содержащейся между двумя пластинами, пропорциональна площади этих двух поверхностей и градиенту скорости:

$${\displaystyle F\propto A{dv \over dy}}$$

На этом этапе мы можем ввести пропорциональную постоянную ${\displaystyle \mu }$, который соответствует коэффициенту динамической вязкости жидкости, чтобы получить следующее уравнение, известное как закон Ньютона

$${\displaystyle F=\mu A{dv \over dy}}$$

Скорость варьируется на ту же величину dv слоя в слое, и тогда выполняется условие, что dv / dy = v / L, где L - расстояние между поверхностями ${\displaystyle S_{1}}$ и ${\displaystyle S_{2}}$, и тогда мы можем упростить уравнение, написав

$${\displaystyle F=\mu A{v \over L}}$$

Вязкость ${\displaystyle \mu }$ содержится в жидкостях, которые сильно препятствуют движению, в то время как он содержится в жидкостях, которые легко текут.

Таблица коэффициентов вязкости μ для некоторых жидкостей

Жидкость	μ (Па с)
CO2	1.5 ⋅ 10^−5
Воздуха	1.8 ⋅ 10^−5
Бензин	2.9 ⋅ 10^−4
Вода (90 ° C)	0.32 ⋅ 10^−3
Вода (20 ° C)	1.0 ⋅ 10^−3
Кровь (37 ° C)	4.0 ⋅ 10^−3
Масло (20 ° C)	0.03
Масло (0 ° C)	0.11
Глицерин	1.5

Чтобы определить, какой поток находится в исследовании, наблюдаем его число Рейнольдса

$${\displaystyle Re={{\rho Lv} \over \mu }}$$

Это постоянная, которая зависит от массы жидкости. ${\displaystyle \rho }$ жидкости, от ее вязкости ${\displaystyle \mu }$ и по диаметру L трубки, в которой течет жидкость. Если число Рейнольдса относительно низкое, то существует ламинарный поток, тогда как для ${\displaystyle Re\simeq 2000}$ поток становится турбулентным.

В заключение мы хотим подчеркнуть, что можно разделить жидкости на два типа в зависимости от их вязкости:

1. Ньютоновские жидкости, или жидкости, в которых вязкость является функцией только температуры и давления жидкости, а не градиента скорости;
2. 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 оценивать при выборе смазочного материала вместо другого. Сначала рассмотрите влияние температуры.

Существует три основных причины колебаний температуры, которые могут повлиять на поведение смазки:

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

Чтобы классифицировать различные смазочные материалы в зависимости от их вязкости в зависимости от температуры, в 1929 году Дин и Дэвис ввели индекс вязкости (V.I.). Им присваивался лучший смазочный материал, доступный на тот момент, а именно масло Пенсильвании, индекс вязкости 100 и, в худшем случае, американское масло побережья Мексиканского залива, значение 0. Чтобы определить значение промежуточного индекса масла, выполните следующую процедуру. используется: выбираются два эталонных масла так, чтобы рассматриваемое масло имело одинаковую вязкость при 100 ° C, и следующее уравнение используется для определения индекса вязкости

$${\displaystyle V.I.={{L-O_{Test}} \over {L-H}}\times 100}$$

У этого процесса есть некоторые недостатки:

• Для смесей масел результаты неточные;
• Нет информации, если вы находитесь за пределами фиксированного диапазона температур;
• С развитием технологий масла с В.И. более 100, что нельзя описать описанным выше методом.

В случае масел с В.И. выше 100 вы можете использовать другое соотношение, которое позволит вам получить точные результаты

$${\displaystyle V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100}$$

$${\displaystyle N={{Log(H)-Log(O_{Test})} \over {Log(v)}}}$$

где в данном случае H - вязкость при 100 ° F (38 ° C) масла с В.И. = 100, а v - кинематическая вязкость исследуемого масла при 210 ° F (99 ° C).

Таким образом, в заключение можно сказать, что повышение температуры приводит к снижению вязкости масла. Также полезно иметь в виду, что, таким же образом, повышение давления означает увеличение вязкости. Чтобы оценить влияние давления на вязкость, используется следующее уравнение

$${\displaystyle \mu =\mu _{0}exp{(\alpha p)}}$$

куда ${\displaystyle \mu }$ - коэффициент вязкости под давлением p, ${\displaystyle \mu _{0}}$ - коэффициент вязкости при атмосферном давлении и ${\displaystyle \alpha }$ - константа, описывающая зависимость между вязкостью и давлением.

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 в относительном движении.

Первые два типа вискозиметров в основном используются для ньютоновских жидкостей, а третий очень универсален.

Носить

Основная статья: Носить

В носить прогрессирующее непроизвольное удаление материала с поверхности, находящейся в относительном движении с другой поверхностью или жидкостью. Мы можем выделить два разных типа износа: умеренный и сильный. Первый случай касается низких нагрузок и гладких поверхностей, а второй касается значительно более высоких нагрузок и совместимых и шероховатых поверхностей, на которых процессы износа намного более интенсивны. Износ играет фундаментальную роль в трибологических исследованиях, поскольку он вызывает изменения формы компонентов, используемых в конструкции машин (например). Эти изношенные части 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, машина в целом может повредить ее. . Однако у этого явления есть не только отрицательные стороны, его часто используют для уменьшения шероховатости некоторых материалов, устранения неровностей. Мы ошибочно представляем себе износ в прямой зависимости от трения, в действительности эти два явления нелегко связать. Могут быть условия, при которых низкое трение может привести к значительному износу и наоборот. Чтобы это явление произошло, требуется определенное время реализации, которое может меняться в зависимости от некоторых переменных, таких как нагрузка, скорость, смазка и условия окружающей среды, и существуют различные механизмы износа, которые могут происходить одновременно или даже в сочетании с каждым из них. Другой:

1. Адгезионный износ;
2. Абразивный износ;
3. Усталостный износ;
4. Коррозионный износ;
5. Истирание или истирание;
6. Эрозионный износ;
7. Прочие незначительные явления износа (ударный износ, кавитация, плавление износа, распространение износа).

Адгезионный износ

Как известно, контакт между двумя поверхностями происходит за счет взаимодействия неровностей.^[20] Если в зоне контакта приложено усилие сдвига, 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 очень проблематичен, так как он связан с высокими скоростями износа, но в то же время можно уменьшить адгезию за счет увеличения шероховатости и твердости задействованных поверхностей или путем введения слоев 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 - твердость

Масса, участвующая в износе, обратно пропорциональна твердости меньше твердый материал.

Важным аспектом износа является выброс частиц износа в окружающую среду, который все больше угрожает здоровью человека и экологии. Первым исследователем, исследовавшим эту тему, был Эрнест Рабинович.^[21]

Абразивный износ

Абразивный износ складывается из усилия резания твердых поверхностей, которые действуют на более мягкие поверхности, и может быть вызван либо шероховатостью, которую режущие кромки отрезают от материала, о который они трутся (двухчастичный абразивный износ), либо частицами твердого материала, которые вставляются между двумя поверхностями в относительном движении (трехкомпонентный абразивный износ). На уровне применения двухчастный износ легко устраняется посредством соответствующей обработки поверхности, в то время как трехкомпонентный износ может вызвать серьезные проблемы и поэтому должен быть устранен в максимально возможной степени с помощью подходящих фильтров, даже до утяжеления. конструкция машины.

Усталостный износ

Усталостный износ - это тип износа, вызванный альтернативными нагрузками, которые вызывают повторяющиеся со временем местные контактные силы, что, в свою очередь, приводит к ухудшению качества используемых материалов. Самым непосредственным примером этого типа носки является расческа. Если вы снова и снова будете проводить пальцем по зубцам расчески, можно заметить, что в какой-то момент один или несколько зубцов расчески оторвутся. Это явление может привести к разрушению поверхностей по механическим или термическим причинам. Первый случай описан выше, когда повторяющаяся нагрузка вызывает высокие контактные напряжения. Второй случай, однако, вызван тепловым расширением материалов, участвующих в процессе. Поэтому, чтобы уменьшить этот тип износа, полезно попытаться уменьшить как контактные силы, так и термоциклирование, то есть частоту, с которой вступают в силу различные температуры. Для достижения оптимальных результатов также хорошо устранить, насколько это возможно, примеси между поверхностями, локальные дефекты и включения посторонних материалов в соответствующих телах.

Коррозионный износ

Коррозионный износ происходит в присутствии металлов, которые окисляются или корродируют. When the pure metal surfaces come into contact with the surrounding environment, oxide films are created on their surfaces because of the contaminants present in the environment itself, such as water, oxygen or acids. These films are continually removed from the abrasive and adhesive wear mechanisms, continually recreated by pure-contaminating metal interactions. Clearly this type of wear can be reduced by trying to create an 'ad hoc' environment, free of pollutants and sensible to minimal thermal changes. Corrosive wear can also be positive in some applications. In fact, the oxides that are created, contribute to decrease the coefficient of friction between the surfaces, or, being in many cases harder than the metal to which they belong, can be used as excellent abrasives.

Rubbing wear or fretting

The rubbing wear occurs in systems subject to more or less intense vibrations, which cause relative movements between the surfaces in contact with the order of the nanometer. These microscopic relative movements cause both adhesive wear, caused by the displacement itself, and abrasive wear, caused by the particles produced in the adhesive phase, which remain trapped between the surfaces. This type of wear can be accelerated by the presence of corrosive substances and the increase in temperature.^[22]

Erosion wear

The erosion wear occurs when free particles, which can be either solid or liquid, hit a surface, causing abrasion. The mechanisms involved are of various kinds and depend on certain parameters, such as the impact angle, the particle size, the impact velocity and the material of which the particles are made up.

Factors affecting wear

Among the main factors influencing wear we find

• Hardness
• Mutual Solubility
• Кристаллическая структура

It has been verified that the harder a material is, the more it decreases. In the same way, the less two materials are mutually soluble, the more the wear tends to decrease. Finally, as regards the crystalline structure, it is possible to state that some structures are more suitable to resist the wear of others, such as a hexagonal structure with a compact distribution, which can only deform by slipping along the base planes.

Wear rate

To provide an assessment of the damage caused by wear, we use a dimensionless coefficient called wear rate, given by the ratio between the height change of the body ${\displaystyle \Delta h}$ and the length of the relative sliding ${\displaystyle \Delta l}$.

$${\displaystyle T_{wear}={\delta h \over \Delta l}}$$

This coefficient makes it possible to subdivide, depending on its size, the damage suffered by various materials in different situations, passing from a modest degree of wear, through a medium, to a degree of severe wear.

Учебный класс	Тростовщичество	Usage level
0	10^− 13 − 10^−12	Умеренный
1	10^−12 − 10^−11
2	10^−11 − 10^−10
3	10^−10 − 10^−9	Середина
4	10^−9 − 10^−8
5	10^−8 − 10^−7
6	10^−7 − 10^−6
7	10^−6 − 10^−5	Суровый
8	10^−5 − 10^−4
9	10^−4 − 10^−3

Instead, to express the volume of wear V it is possible to use the Holm equation

• ${\displaystyle V=k{W \over H}l}$ (for adhesive wear)
• ${\displaystyle V=k_{a}{W \over H}l}$ (for abrasive wear)

where W / H represents the real contact area, l the length of the distance traveled and k and ${\displaystyle k_{a}}$ are experimental dimensional factors.

Wear measurement

In experimental measurements of material wear, it is often necessary to recreate fairly small wear rates and to accelerate times. The phenomena, which in reality develop after years, in the laboratory must occur after a few days. A first evaluation of the wear processes is a visual inspection of the superficial profile of the body in the study, including a comparison before and after the occurrence of the wear phenomenon. In this first analysis the possible variations of the hardness and of the superficial geometry of the material are observed. Another method of investigation is that of the radioactive tracer, used to evaluate wear at macroscopic levels. One of the two materials in contact, involved in a wear process, is marked with a radioactive tracer. In this way, the particles of this material, which will be removed, will be easily visible and accessible. Finally, to accelerate wear times, one of the best-known techniques used is that of the high pressure contact tests. In this case, to obtain the desired results it is sufficient to apply the load on a very reduced contact area.

Приложения

Transport and manufacturing tribology

Historically, tribology research concentrated on the design and effective lubrication of machine components, particularly for bearings. However, the study of tribology extends into most aspects of modern technology and any system where one material slides over another can be affected by complex tribological interactions.^[23]

Traditionally, tribology research in the транспорт industry focused on reliability, ensuring the safe, continuous operation of machine components. Nowadays, due to an increased focus on energy consumption, эффективность has become increasingly important and thus смазочные материалы have become progressively more complex and sophisticated in order to achieve this.^[23] Tribology also plays an important role in производство. For example, in metal-forming operations, friction increases tool wear and the power required to work a piece. This results in increased costs due to more frequent tool replacement, loss of tolerance as tool dimensions shift, and greater forces required to shape a piece.

The use of lubricants which minimize direct surface contact reduces tool носить and power requirements.^[24] It is also necessary to know the effects of manufacturing, all manufacturing methods leave a unique system fingerprint (i.e. топография поверхности ) which will influence the tribocontact (e.g. lubricant film formation).

Tribology research

Research fields

Open system tribology - wheel-rail contact in winter

Tribology research ranges from макрос к nano scales, in areas as diverse as the movement of continental plates and glaciers to the locomotion of animals and insects.^[23] Tribology research is traditionally concentrated on транспорт и производство sectors, but this has considerably diversified. Tribology research can be loosely divided into the following fields (with some overlap):

• Classical tribology is concerned with friction and wear in machine elements (Такие как rolling-element bearings, шестерни, plain bearings, brakes, клатчи, колеса и жидкие подшипники ) as well as manufacturing processes (such as обработки металлов давлением ).
• Tribo-Fatigue: трение, носить и смазка in tribo-fatigue systems^{[25][26][27][28]}
• Biotribology исследования трение, носить и смазка в биологических системах. The field is gaining importance as human lifetime expectancy increases. Human hip and knee joints are typical biotribology systems.^[29]
• Green tribology aims to minimize the environmental impact of tribological systems along their entire lifecycle. In particular, green tribology aims to reduce tribological losses (e.g., трение и носить ) using technologies with minimal environmental impact. This is in contrast to traditional tribology, where the means of reducing tribological losses are not holistically evaluated.^[30]
• Geotribology studies friction, wear, and lubrication of geological systems, such as ледники и недостатки.
• Nanotribology studies tribological phenomena at nanoscopic scales. The field is becoming increasingly important as devices become smaller (e.g. micro/nanoelectromechanical systems, МЭМС /NEMS ), and research has been aided by the invention of Atomic Force Microscopy.
• Tribotronics aims to integrate active control loops into tribological systems in order to increase machine efficiency and lifetime.
• Computational tribology aims to model the behavior of tribological systems through мультифизика simulations, combining disciplines such as contact mechanics, механика разрушения и вычислительная гидродинамика.
• Space tribology studies tribological systems that can operate under the extreme environmental conditions из космическое пространство. In particular, this requires lubricants with low давление газа that can withstand extreme temperature fluctuations.
• Open system tribology studies tribological systems that are exposed to and affected by the окружающая среда.

Recently, intensive studies of сверхсмазочность (phenomenon of vanishing friction) have sparked due to increasing demand for energy savings.^[31] Furthermore, the development of new materials, such as графен и ионные жидкости, allows for fundamentally new approaches to solve tribological problems.^[32]

Research societies

Основная статья: List of tribology organizations

There are now numerous national and international societies, including: the Society for Tribologists and Lubrication Engineers (STLE) in the US, the Institution of Mechanical Engineers и Институт Физики (IMechE Tribology Group, IOP Tribology Group) in the UK, the German Society for Tribology (Gesellschaft für Tribologie), the Korean Tribology Society (KTS), the Malaysian Tribology Society (MYTRIBOS), the Japanese Society of Tribologists (JAST), the Tribology Society of India (TSI), the Chinese Mechanical Engineering Society (Chinese Tribology Institute) and the International Tribology Council.

Исследовательский подход

Tribology research is mostly empirical, which can be explained by the vast number of parameters that influence friction and wear in tribological contacts. Thus, most research fields rely heavily on the use of standardized tribometers and test procedures as well component-level test rigs.

Основные концепции

Tribosystem

Основная статья: Tribosystem

Концепция чего-либо tribosystems is used to provide a detailed assessment of relevant inputs, outputs and losses to tribological systems. Knowledge of these parameters allows tribologists to devise test procedures for tribological systems.

Трибофильм

Основная статья: Трибофильм

Tribofilms are thin films that form on tribologically stressed surfaces. They play an important role in reducing трение и носить in tribological systems.

Stribeck curve

Основная статья: Stribeck curve

В Stribeck Curve shows how friction in fluid-lubricated contacts is a non-linear function of lubricant viscosity, entrainment velocity and contact load.

Смотрите также

• Antiwear additive – Additives for lubricants to prevent metal-to-metal contact
• Несущий – Mechanism to constrain relative movement to the desired motion and reduce friction
• Холодная сварка – Solid-state welding process
• Контактная механика – Study of the deformation of solids that touch each other
• Fretting – Wear process that occurs at the contact area between two materials under load and subject to minute relative motion
• Трение – Force resisting the relative motion of solid surfaces, fluid layers, and material elements sliding against each other
• Friction modifier – Lubricant additive to reduce friction and wear
• Раздражающий – A form of wear caused by adhesion between sliding surfaces
• Леонардо да Винчи – Italian Renaissance polymath
• List of tribology organizations
• Смазка – Substance introduced to reduce friction between surfaces in mutual contact
• Смазка – The presence of a material to reduce friction between two surfaces.
• Присадка к маслу – Chemical compounds that improve the lubricant performance of base oil
• Oil analysis – Laboratory analysis of an oil based lubricant's properties and contaminants
• Peter Jost – British mechanical engineer
• Sclerometer – Instrument used to measure the hardness of a material
• Space tribology – Tribological systems for spacecraft applications
• Наука о поверхности – Study of physical and chemical phenomena that occur at the interface of two phases
• Tribocorrosion – Material degradation due to corrosion and wear.
• Tribometer – An instrument that measures tribological quantities
• Носить – Damaging, gradual removal or deformation of material at solid surfaces
• Zinc dithiophosphate – Lubricant additive

Сноски

1. Theodor Reye was a polytechnician in Zürich, in 1860, but later became a professor in Straßburg, according to Moritz (1885) p. 535.^[8]

Рекомендации

1. Jost, Peter (1966). "Lubrication (Tribology) - A report on the present position and industry's needs". Department of Education and Science. London, UK: H. M. Stationery Office.
2. Mitchell, Luke (November 2012). Ward, Jacob (ed.). "The Fiction of Nonfriction". Популярная наука. № 5. 281 (November 2012): 40.
3. Hutchings, Ian M. (15 August 2016). "Leonardo da Vinci's studies of friction" (PDF). Носить. 360 (Supplement C): 51–66. Дои:10.1016/j.wear.2016.04.019.
4. Gao, Jianping; Luedtke, W. D.; Gourdon, D.; Ruths, M.; Израэлачвили, Дж. Н .; Landman, Uzi (1 March 2004). "Frictional Forces and Amontons' Law: From the Molecular to the Macroscopic Scale". Журнал физической химии B. 108 (11): 3410–3425. Дои:10.1021/jp036362l. ISSN  1520-6106.
5. Dowson, Duncan (1997). History of Tribology (Второе изд.). Professional Engineering Publishing. ISBN  1-86058-070-X.
6. Popova, Elena; Popov, Valentin L. (1 June 2015). "The research works of Coulomb and Amontons and generalized laws of friction". Трение. 3 (2): 183–190. Дои:10.1007/s40544-015-0074-6.
7. Chaston, J.C. (1 December 1974). "Wear resistance of gold alloys for coinage". Gold Bulletin. 7 (4): 108–112. Дои:10.1007/BF03215051. ISSN  0017-1557.
8. Rühlmann, Moritz (1885). Vorträge über die Geschichte der technischen Mechanik und theoretischen Maschinenlehre und der damit im Zusammenhang stehenden mathematischen Wissenschaften. Teil 1. Georg Olms Verlag. п. 535. ISBN  978-3-48741119-4.
9. Reye, Karl Theodor (1860) [1859-11-08]. Bornemann, K. R. (ed.). "Zur Theorie der Zapfenreibung" [On the theory of pivot friction]. Der Civilingenieur - Zeitschrift für das Ingenieurwesen. Neue Folge (NF) (in German). 6: 235–255. Получено 25 мая 2018.
10. Archard, John Frederick (1 August 1953). "Contact and Rubbing of Flat Surfaces". Журнал прикладной физики. 24 (8): 981–988. Bibcode:1953JAP....24..981A. Дои:10.1063/1.1721448. ISSN  0021-8979.
11. Tabor, D. (1 November 1969). "Frank Philip Bowden, 1903–1968". Биографические воспоминания членов Королевского общества. 15 (53): 317. Bibcode:1969JGlac...8..317T. Дои:10.1098/rsbm.1969.0001. ISSN  0080-4606.
12. Field, J. (2008). "David Tabor. 23 October 1913 – 26 November 2005". Биографические воспоминания членов Королевского общества. 54: 425–459. Дои:10.1098/rsbm.2007.0031.
13. Bowden, Frank Philip; Tabor, David (2001). The Friction and Lubrication of Solids. Oxford Classic Texts in the Physical Sciences. ISBN  9780198507772.
14. Neale, Michael J. (1995). The Tribology Handbook (2nd Edition). Эльзевир. ISBN  9780750611985.
15. Holmberg, Kenneth; Erdemir, Ali (1 September 2017). "Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions". Трение. 5 (3): 263–284. Дои:10.1007/s40544-017-0183-5. ISSN  2223-7690. Material was copied from this source, which is available under a Международная лицензия Creative Commons Attribution 4.0.
16. Popov, Valentin L. (2018). "Is Tribology approaching its Golden Age? Grand Challenges in Engineering Education and Tribological Research". Frontiers in Mechanical Engineering. 4. Дои:10.3389/fmech.2018.00016.
17. Фейнман, Ричард П .; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew; Hafner, E.M. (1965). "The Feynman Lectures on Physics". Американский журнал физики. 33 (9): 750–752. Bibcode:1965AmJPh..33..750F. Дои:10.1119/1.1972241. ISSN  0002-9505.
18. Resnick; Halliday; Krane (2002). Физика. 1 (5-е изд.).
19. Szeri A.Z. (2005) - Fluid Film Lubrication: Theory and Design, Cambridge University Press.
20. Stachowiak G.W.; Batchelor A.W. Engineering Tribology. Elsevier Applied Science.
21. Popova, Elena; Попов Валентин Л .; Kim, Dae-Eun (1 September 2018). "60 years of Rabinowicz' criterion for adhesive wear". Трение. 6 (3): 341–348. Дои:10.1007/s40544-018-0240-8.
22. dos Santos, Claudio Teodoro; Barbosa, Cássio; de Jesus Monteiro, Maurıcio; de Cerqueira Abud, Ibrahim; Vieira Caminha, Ieda Maria; de Mello Roesler, Carlos Rodrigo. "Fretting corrosion tests on orthopedic plates and screws made of ASTM F138 stainless steel".^{[требуется полная цитата ]}
23. Stachowiak, Gwidon W. (1 September 2017). "How tribology has been helping us to advance and to survive". Трение. 5 (3): 233–247. Дои:10.1007/s40544-017-0173-7. ISSN  2223-7690.
24. J. Paulo, Davim (2013). Tribology in Manufacturing Technology. Springer. ISBN  978-3-642-31683-8.
25. Strazhev V. I.; и другие. (1996). Bogdanovich, А. V. (ed.). Word on Tribo-Fatigue (на русском). Gomel, Minsk, Moscow, Kiev: Remika.
26. Sosnovskiy, L. A. (2003). Fundamentals of Tribo-Fatigue (на русском). Gomel: BelSUT.
27. Sosnovskiy, L. A. (2005). Tribo-Fatigue. Wear-Fatigue Damage and Its Prediction. Foundations of Engineering Mechanics. Springer.
28. 摩擦疲劳学 磨损 – 疲劳损伤及其预测. L. A. 索斯洛-夫斯基著, 高万振译 – 中国矿业大学出版社, 2013. – 324 pp.^{[требуется полная цитата ]}
29. Ostermeyer, Georg-Peter; Попов Валентин Л .; Шилко, Евгений В .; Vasiljeva, Olga S., eds. (2021). "Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems". Springer Tracts in Mechanical Engineering. Дои:10.1007/978-3-030-60124-9. ISSN  2195-9862.
30. Носоновский, Михаил; Bhushan, Bharat (2012). Green Tribology. Зеленая энергия и технологии. SpringerLink. Дои:10.1007/978-3-642-23681-5. ISBN  978-3-642-23680-8.
31. Erdemir, Ali; Martin, Jean Michel (2007). Сверхсмазочность. Эльзевир. ISBN  978-0-444-52772-1.
32. Dienwiebel, Martin; Verhoeven, Gertjan S.; Pradeep, Namboodiri; Frenken, Joost W. M.; Heimberg, Jennifer A.; Zandbergen, Henny W. (24 March 2004). "Superlubricity of Graphite". Письма с физическими проверками. 92 (12): 126101. Bibcode:2004PhRvL..92l6101D. Дои:10.1103/PhysRevLett.92.126101. PMID  15089689.

внешняя ссылка

• Bernhard, Adrienne (7 April 2020). "How the Obscure Science of Rubbing Built the Past and Will Shape the Future". Популярная механика. Получено 7 апреля 2020.