Современные задачи трибологии

Применительно к новым машинам, работающим с большой тепловой и механической напряженностью в усложненных условиях внешней среды и к новым материалам, появляющимся в технике, требуется более тонкое исследование физических основ трения, закономерностей и механизмов процесса изнашивания в узлах трения, а вместе с тем и разработка практических мероприятий, обеспечивающих долговечность и стабильность их работы. Исходя из этого, среди основных задач, решаемых наукой о трении и изнашивании машин, необходимо указать следующие:

предоставление специалистам машиностроения специальных знаний о видах трения и изнашивания, причинах их возникновения и основных закономерностях их развития;

разработка и внедрение математических моделей, позволяющих прогнозировать состояние узлов трения после длительной работы, оценка их остаточного ресурса;

обобщение, научное обоснование и правильное назначение средств и методов борьбы с износом машин, которыми сейчас располагают промышленность и транспорт.

Одной из главных задач в современном машиностроении являются понижение износа и уменьшение сил трения рабочих органов машин, хотя в некоторых случаях, наоборот, требуется повышение сил трения. Так, например, в последние годы для работы многих машин и конструкций решающей становится проблема торможения. Отсутствие достаточно надежных, эффективных тормозных устройств ставит препятствия переходу к более высоким скоростям движения всех видов транспорта и ограничивает производительность и эффективность ряда машин, используемых в строительстве, добыче нефти, угля т.д.

В настоящее время в науке о трении и изнашивании твердых тел сложилась парадоксальная ситуация. Трение, как физическое явление, известно человеку ровно столько времени, сколько существует сам человек. Попытки описать это явление предпринимались давно, однако очевидно, что в триботехнике “хорошей теории” нет до сих пор.

Первые теоретические разработки в этой области, представленные публике в 1699 г., связывают с именами Леонардо да Винчи и Амонтона, утверждавших, что сила трения зависит только от нормальной нагрузки на поверхность трения и прямо пропорциональна ей. Влияние всех прочих факторов предлагалось интегрально учитывать неким “ коэффициентом трения ”. На протяжении многих веков ученые-экспериментаторы прямо или косвенно проверяли эту научную гипотезу. Вывод однозначный – теория является весьма приблизительной. Коэффициенты трения, полученные практически в одинаковых условиях, могут отличаться в широком диапазоне, достигающем 100…300 % от средней величины.

Парадокс заключается в том, что внешний вид уравнения для силы трения, предложенный Кулоном в 1785 г., воспринят инженерной практикой как догма и используется для практических расчетов повсеместно, несмотря на очевидные ошибки в получаемых результатах. В качестве компенсации недостатков теории используется метод экспериментального определения коэффициентов трения на большом количестве образцов с последующим нормированием их значений для практических целей.

Аналогичная ситуация складывается и в части науки о трении, которая ответственна за износ. Здесь нет даже примитивной формулы, похожей на уравнение сил сухого трения, которая бы удовлетворительно описывала закономерности изнашивания поверхностей твердых тел и благосклонно воспринималась инженерной практикой. Разработанные к настоящему моменту различными коллективами авторов “ теории ” износа достаточно сложны и требуют специальной “ настройки ” по работе конкретного узла трения. Поэтому до сих пор прогнозирование долговечности тех или иных деталей машин базируется на экспериментальном исследовании износостойкости моделей.

Попытки критиковать ученых за неспособность создать “хорошую” общую теорию трения и изнашивания, равно как и практических инженеров за нежелание воспринимать и использовать на практике сложные современные теории, явно несостоятельны. Причины столь неутешительного положения дел в науке о трении и износе, по всей видимости, следует искать в самой природе: далеко не все явления могут быть описаны такими простыми уравнениями, как законы Ньютона или Ома. Особенно это относится к явлениям, при описании которых требуется учитывать большое количество независимых факторов. Чем больше этих факторов, тем сложнее уравнения, тем больше допущений, тем шире диапазон возможных ошибок при расчетах. При оценке износостойкости необходимо учитывать около десятка факторов, и никакого практичного уравнения или системы уравнений здесь нет.

Отсутствие добротных расчетных инструментов вынуждает общество расходовать значительные средства на изучение фрикционных характеристик различных материалов и конструкций и использовать эти данные в инженерной практике. Обычно этих данных достаточно только для предварительной оценки ресурса деталей трения. В дальнейшем эти оценки приходится уточнять по данным эксплуатационной проверки машин и механизмов, что влечет за собой дополнительные расходы в сфере эксплуатации технических средств и их ремонта.

Однако, несмотря на то, что выше было замечено об отсутствии “хорошей” теории в трибологии, рассмотрим далее основные положения этой науки, на основании которых можно будет определить и обосновать методы борьбы с повышенным трением и износом в узлах трения ДВС.