Введення до триботехніки.

Тертя – дивний феномен природи! Воно подарувало людству тепло і вогонь, можливість в короткий час зупинити швидкісний потяг і автомобіль, прискорити хімічну реакцію в сто тисяч разів, записати людський голос на пластинку, почути звук скрипки і багато що інше.

Тертя вивчали Леонардо та Вінчи і Ломоносов, Амнонтон і Кулон, Петров і Ейлер, Менделєєв і Рейнольдс, і інші учені. У наш час тертя вивчали академіки Жуковский Н.Е., Чудаков Е.А., Ребиндер П.А. Внесли значний внесок такі вчені, як чл.-кор. АН СРСР Дерягин Б.В., акад. Белый В.А., проф. Крагельский И.В., Костецкий Б.Н. Із зарубіжних учених в цій області працюють Ф. Боуден, Д. Тейлор, Д. Баклі, Г. Фляйшер, Г. Польцер і ін.

До теперішнього часу тертя в багато яких його аспектах залишається загадкою. При терті (і лише при терті) одночасно відбуваються механічні, електричні, теплові, вібраційні і хімічні процеси. Тертя може зміцнити або знеміцніть метал, підвищити або зменшити в ньому зміст вуглецю, наситити метал воднем або обезводнить його, перетворити золото і платину в оксиди, відполірувати деталі або зварити їх. Тертя є, самоорганізованим процесом, при якому з певною послідовністю і вельми «розумно» протікають явища, направлені на руйнування поверхні, або ж, навпаки, на створення цілої серії систем, знижуючих знос і тертя.

Сьогодні з тертям зв'язана одна з найгостріших проблем сучасності – знос машин і механізмів. Витрати на відновлення машин в результаті зносу величезні. Причому щорічно вони збільшуються. Подовження терміну служби машин і устаткування навіть у невеликому ступені рівноважне введенню значних нових виробничих потужностей.

Надійність будь-якого технічного пристрою – це властивість об'єкту зберігати в часі у встановлених межах значення всіх параметрів. Надійність є складною властивістю. Воно включає безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність і збереженість. Ці показники відносяться до одиничних показників надійності. Окрім цього є комплексні показники. До них відносяться коефіцієнт готовності, коефіцієнт технічного використовування і ін.

З позиції надійності вироби можуть знаходитися в працездатному, непрацездатному і граничному стані. Працездатним називають стан виробу, при якому значення всіх параметрів, характеризуючих здатність виконувати задані функції, відповідає вимогам нормативної технічної документації. Якщо хоча б один з параметрів не відповідає, то виріб вважають непрацездатними.

Перехід від працездатного стану в непрацездатне відбувається після настання події, яку називають відмовою. Наприклад, перегорання електричної лампи, порушення теплопостачання і ін. Граничний стан об'єкту – це стан, при якому його подальше застосування за призначенням неприпустимо або недоцільно. Після настання граничного стану виріб можна списати або направити в капітальний ремонт. Граничний стан може наступити в результаті фізичного або морального зношування.

Працездатність машини частіше всього порушується унаслідок фізичного зносу деталей. Їх ремонтують або змінюют. З часом служби машини зростає число деталей, підлягаючих ремонту. Співвідношення між вартістю відновлення працездатності і вартістю нової машини зростає. Її ремонт стає нерентабельним, і хоча конструктивно машина морально ще не зношена, але довговічність її вичерпана.

Питання підвищення терміну служби машин давно привертали увагу інженерно-технічних працівників, проте в своїй діяльності вони керувалися емпіричними даними. Розвиток техніки і машинобудування додало проблемі підвищення довговічності машин величезну значущість з економічної точки зору. Тому до рішення справжньої проблеми були залучені широкий круг вчених різних спеціальностей. Це дозволило створити теорію і раціональні методи її рішення на базі досягнень фізики, хімії, металознавства, опору матеріалів, деталей машин.

Триботехніка – наука про контактну взаємодію твердих тіл при їх відносному русі, охоплюючи весь комплекс питань тертя, зношування і змащування машин.

До загальних понять триботехніки відносяться наступні терміни.

Зовнішнє тертя – явище опору відносному переміщенню, виникаюче між двома тілами в зоні зіткнення поверхонь по дотичних до них, супроводжуване дисипацією енергії.

Зношування – процес руйнування і відділення матеріалу з поверхні твердого тіла.

Знос – результат зношування, визначуваний у встановлених одиницях. Величина зносу може виражатися в одиницях довжини, об'єму, маси і ін.

Зносостійкість – властивість матеріалу, чинити опір зношуванню в певних умовах тертя. Вона оцінюється величиною зворотної швидкості зношування.

Тертя спокою – тертя двох тіл при мікропереміщеннях до переходу до відносного руху.

Тертя руху – тертя двох тіл, знаходиться у відносному русі.

Тертя ковзання – тертя руху двох твердих тіл, при якому швидкості тіл в точках дотику різні по величині і напряму.

Тертя кочення – тертя руху двох твердих тіл, при якому їх швидкості в точках дотику однакові по величині і напряму.

Сила тертя – сила опору при відносному переміщенні одного тіла по поверхні іншого під дією зовнішньої сили.

Швидкість ковзання – різниця швидкостей тіл в точках дотику.

Коефіцієнт тертя – відношення сили тертя двох тіл до нормальної сили, яка притискує ці тіла один до одного.

Коефіцієнт зчеплення – відношення найбільшої сили тертя спокою двох тіл до нормальної сили, яка притискує тіла один до одного.

В даний час словник-довідник по тертю, зносу і змащуванню деталей машин, містить більше 1200 термінів.

Найпоширенішою причиною виходу з ладу деталей і робочих органів машин є не поломка, а знос і пошкодження робочих поверхонь. Особливо великий знос деталей і робочих органів машин, які експлуатуються в абразивному і агресивному середовищах. Наприклад, зуби ковшів екскаваторів, ножі скреперів і бульдозерів працюють 3...6 місяців.

За сезон роботи тракторів на піщаних ґрунтах доводиться змінювати два-три комплекти гусениць, що в середньому обходиться в 50 % вартості нового трактора. Малу тривалість роботи мають дротяні канати вантажопідйомних машин на металургійних підприємствах. Середній термін служби канатів доменних підйомників 3...4 міс., розливних кранів мартенівських печей 6...7 міс. Швидкий вихід з ладу багато яких машин вимагає створення великої ремонтної бази. Витрати на ремонт машин і технічне їх обслуговування у декілька разів перевищує їх вартість: так для автомобілів в 6 разів, для літаків до 5 разів, для верстатів до 8 разів і т.д. Тому на частку заводів, випускаючих нові трактори, доводяться лише 22% потужностей; решта потужностей розподіляється так: на запасні частини – 34%, на ремонт – 44%.

Великі матеріальні втрати країна терпить від підвищеного тертя у вузлах машин. Відомо, що більше половину палива, споживаного автомобілями, тепловозами і іншими видами транспорту, витрачається на подолання опору, створюваного тертям в рухливих вичленовуваннях. В текстильному виробництві на подолання опору тертю затрачується близько 80% споживаної енергії. Низькі КПД багато яких машин обумовлені, головним чином, великими втратами на тертя. Так КПД глобоїдного редуктора, встановлюваного в ліфтах, металоріжучому устаткуванні і т.д. в приробленому стані складає тільки 0,65-0,7, а такої поширеної пари як гвинт-гайка всього лише 0,25.

Триботехніка, як і інші науки, безперервно розвивається. Етапи її розвитку пов'язані із створенням корабельної техніки, металообробної промисловості, залізничного транспорту, автомобільної промисловості, авіації і космонавтики. Процес розвитку триботехніки можна підрозділити на наступні етапи:

1) вчення про тертя і зношування деталей машин;

2) конструктивні рішення питань тертя і зношування;

3) технологічні методи підвищення зносостійкості деталей;

4) експлуатаційні заходи щодо підвищення довговічності машин.

На Україні ще немає галузевого центру, який би відповідав за розвиток робіт по триботехніці в цілому. Питаннями триботехніки займаються інститут проблем матеріалознавства АН України, інститут твердих сплавів. Роботи в області триботехніки ведуться у вищих учбових закладах: Київському інституті інженерів цивільної авіації, Українській сільськогосподарській академії. З 1980 року видається журнал «Тертя і знос». Більше 10 років в Києві видаються науково-технічна збірка «Проблеми тертя і зношування» Мінвузу України. Найактуальнішими є наступні проблеми триботехніки:

– створення «беззношувальних» вузлів тертя;

– захист деталей машин від водневого зношування;

– розробка фінішної антифрикційної безабразивної обробки (ФАБО);

– створення і виробництво принципово нових автоматизованих змащувальних систем для машин і устаткування;

– підготовка інженерних кадрів з триботехніки;

– розробка нової теорії тертя і беззношувальності на основі термодинаміки нерівноважних процесів і законів фізики і хімії.