Триботехника

В настоящее время наш техногенный мир буквально нашпигован огромным числом экологически опасных и ресурсоизбыточных устройств, требующих постоянного ремонта и обслуживания. Поэтому в настоящее время актуальнейшей проблемой становится обеспечение плавного перехода от существующих опасных для всего человечества технологий к новым, чистым технологиям. Основная задача заключается в том, чтобы «научить» нынешние энергоустановки работать максимально долго, без загрязняющих атмосферу выхлопов продуктов неполного сгорания, минимизировать удельный расход топлива. При этом сами нововведения должны быть ресурсоэнергосберегающими, экологически чистыми и включать в себя элементы будущих чистых технологий.

Триботехника – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазки машин. В некоторых странах, в том числе и России, вместо термина триботехника употребляют термины трибология и трибоника. Название научной дисциплины трибология образовано от греческих слов «трибос» - трение и «логос» - наука. Она охватывает теоретические и экспериментальные исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических и других явлений, связанных с трением, изнашиванием и смазкой. Как наука, трибология имеет научно-технические разделы: трибофизику, трибохимию, триботехническое материаловедение, трибомеханику, трибоинформатику и др.

Триботехнические явления должны учитываться при проектировании и эксплуатации машин и механизмов. Они проявляются при земляных работах, в сельском хозяйстве, строительстве, добывающей промышленности и во многих других случаях. Потери средств от трения и износа в развитых странах составляют 4-5% национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всем мире 20-25% вырабатываемой за год энергии. Анализ специальных комитетов Международного совета по трибологии показал, что за полный цикл эксплуатации машин эксплуатационные расходы, затраты на ремонт и запасные части в несколько раз превышают затраты на изготовление новой техники. Борьба с потерями энергии и выходом из строя машин и оборудования от трения и износа во многих странах стала государственной задачей. Во многих странах большие коллективы научных работников и инженеров работают над проблемами трения и изнашивания. Этим работам в передовых промышленно развитых странах уделяется повышенное внимание на государственном уровне.

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 сцеплений между частицами тел «долгим стиранием».
Крупный вклад в науку о трении внес Л. Эйлер. 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. Рейнольдс, А. Кингсбери, Герси и другие).
Следует отметить, что в 1880-1881 годах Д. И. Менделеев разработал научные основы производства смазочных масел из мазута тяжелых кавказских нефтей. Первый обзор о развитии учения о трении и изнашивании в нашей стране был выполнен в 1947 году профессором Ленинградского политехнического института А. К. Зайцевым в книге «Основы учения о трении, износе и смазке машин».
В 1956 году И. В. Крагельский и В. С. Щедров опубликовали монографию «Развитие науки о трении». В 1957 году в сборнике «Теоретические основы конструирования машин» М. М. Хрущев дал обзор о «Развитии учения об износостойкости деталей машин».
Весьма перспективна возможность значительного улучшения фрикционно-износных характеристик некоторых пар трения при граничной смазке за счет реализации эффекта избирательного переноса, открытого Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским в 1965 году.

Проблема защиты деталей машин от водородного изнашивания.

Важной задачей триботехники является разработка методов борьбы с водородным изнашиванием. Около 15 лет назад в Советском Союзе было экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление концентрации в поверхностных слоях трущихся деталей водорода, выделяющегося из материалов пары трения и из окружающей среды. Это явление вызывает ускорение изнашивания. Водородное изнашивание характеризуется интенсивным выделением водорода в результате трибодеструкции водородсодержащих материалов, ускоряемым механохимическим действием. Кроме того, оно характеризуется диффузией водорода в деформируемый слой стали и особым видом разрушения, связанным с одновременным появлением большого числа «зародышей» трещин во всей зоне деформирования, и упомянутым накапливанием водорода. Водородное изнашивание вносит новые представления о механизме хрупкого разрушения.

Защита от водородного изнашивания имеет особое значение для следующих отраслей:

• авиатехники (узлы трения топливных насосов, а также тормозные колодки и барабаны колес выходят из строя в результате водородного изнашивания);
• железнодорожного транспорта (водородному изнашиванию подвергаются рельсы и колеса вагонов);
• автомобильного транспорта (водородное изнашивание резко снижает срок службы цилиндров и поршневых колес двигателей, тормозных накладок, тормозных барабанов и дисков сцепления, а также лопаток бензиновых насосов и других деталей агрегатов автомобилей);
• морского флота (водородному изнашиванию подвергаются узлы трения, смазываемые водой);
• деревообрабатывающей промышленности (водородное изнашивание деревообрабатывающего инструмента и рабочих органов машин сдерживает рост производительности труда в отрасли);
• техники Севера (одной из причин быстрого изнашивания машин, работающих на Севере, является охрупчивающее действие водорода, который при низких температурах не рассасывается в поверхностных слоях, а концентрируется между зоной трения и объемом материала трущейся детали вследствие значительного перепада температур);
• химического машиностроения (узлы трения машин и оборудования химической промышленности изнашиваются, главным образом, в результате действия водорода);
• техники будущего (в новых машинах расширяется применение титана и его сплавов; при трении эти материалы, обладая низкими антифрикционными свойствами, весьма сильно поглощают водород и подвергаются водородному изнашиванию).

При ведущейся в России и США широкой работе по созданию двигателей для автомобилей и самолетов на водородном топливе исследователи должны заранее принять меры защиты деталей от водородного изнашивания.

Согласно научному труду Д.Н. ГАРКУНОВ, Г.И. СУРАНОВ, Ю.А. ХРУСТАЛЕВ «ВОДОРОДНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН» Водородное изнашивание – явление комплексное, обусловленное малоизученными разнообразными и весьма интенсивными физико-химическими процессами выделения водорода и взаимодействия его с трущимися поверхностями деталей машин. Выделение водорода из смазки или твердого тела, диффузия его в структуру материала, охрупчивание и разрушение им поверхностного слоя происходят при трении. Под воздействием водорода поверхностный слой стальных деталей иногда разрушается, превращаясь в порошок. Водородное изнашивание – довольно трудно объяснимое явление на основе уже имеющихся теоретических концепций, ибо подобного разрушения никогда ранее не наблюдалось. Рассматриваемые явления при трении и водородном изнашивании находятся на стыке различных областей науки и особенно таких разветвлений химии, как электрохимия, органическая химия, катализ, химия полимеров и смазок, механохимия и др., хотя в целом явления трения и износа относятся к физике и механике. Замечательная особенность трения состоит в том, что оно объединяет механику и химию и является как бы мостом между макроскопическими и микроскопическими процессами, которые протекают по различным законам. Установлено также, что существует неизвестный скрытый ускоритель износа, способный катастрофически увеличивать скорость изнашивания и разрушать поверхностный слой трущихся деталей даже при образовании на нем защитной сервовитной пленки.