05.02.04 – трение и износ в машинах

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 5 ноября 2012 г. № 131
 

Целью изучения дисциплины является формирование у аспирантов и соискателей целостной системы знаний и навыков по фундаментальным вопросам теории трения и изнашивания твердых тел, способность их использования в научно-исследовательской работе и практике.

Задачи изучения дисциплины:

  1. сформировать представление о явлениях, протекающих в зоне фрикционного контакта, их механизмах и условиях проявления;
  2. изучить закономерности трения и изнашивания при различных условиях и режимах нагружения твердых тел;
  3. дать сведения о методах проведения триботехнических испытаний и способах управления параметрами контактного взаимодействия твердых тел;
  4. привить навыки использования теоретических знаний при решении практических вопросов по выбору комплекса мероприятий, направленных на повышение износостойкости деталей машин;
  5. способствовать формированию у аспирантов и соискателей инженерного мышления, развивать подход к решению технических проблем.

Требования к уровню знаний

В результате обучения аспиранты и соискатели должны:

  • понимать закономерности физических, механических и химических процессов, происходящих в контакте при трении и приводящих к износу деталей машин;
  • знать методы повышения износостойкости деталей узлов трения;
  • уметь осуществить подбор материалов для современных триботехнических узлов и деталей;
  • владеть методиками проведения триботехнических испытаний; уметь оценить состояние трибосистемы и прогнозировать их ресурс;
  • иметь представление о перспективных направлениях развития трибологии.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

1. История трибологии

Зарождение науки о трении (Леонардо да Винчи, Амонтон, Кулон).

Промышленная революция. Исследования по трению в XIX и начале XX веков.

Современные представления о двойственной природе трения (Боуден и Тейбор, Крагельский).

Развитие представлений о трении при граничной смазке (Гарди, Ахматов).

Основоположники гидродинамической теории трения (Петров, Рейнольде, Зомерфельд, Релей, Митчел).

Разработка основ упруго-гидродинамической теории смазки (Грубин, Эртель, Петрусевич).

Борьба с износом деталей машин (Хрущов, Арчард, Костеций).

2. Физика и химия поверхностей твердых гел

Структура поверхностных слоев твердых тел и ее изменение в процессе трения.

Атомная природа поверхностей трения.

Природа и типы поверхностных сил. Потенциал Леннард-Джонса.

Физико-химические свойства поверхностных слоев (смачивание, поверхностное натяжение, слой Бейлби, трибохимические процессы в зоне контакта твердых тел).

Граничные и адсорбционные слои на твердых поверхностях.

Окислы на металлах и механизм их образования.

Диффузия в твердых телах. Механизм диффузии. Энергия активации диффузии.

Влияние тонких пленок на механические свойства твердых поверхностей (эффекты Крамера, Роско, Иоффе и Ребиндера).

Адгезия твердых тел. Теории адгезии. Схватывание твердых поверхностей.

3. Геометрия твердых поверхностей

Общее представление о реальной топографии поверхности деталей машин и условиях ее формирования. Макроотклонения, волнистость, шероховатость, субшероховатость. Понятие о равновесной шероховатости.

Современные методы измерения топографии реальных поверхностей.

Методы описания и моделирования реальных поверхностей. Детерминистский, вероятностный и фрактальный методы. Методы случайных функций и опорной кривой.

Стандартные параметры шероховатости. Представление о средней линии и системах ее проведения. Базовая длина и нормирование шероховатости с ее учетом. Относительная опорная длина профиля. 3-D параметры шероховатости.

4. Механика  контакта

Деформация металлов и полимеров. Механизмы упругой, вязкоупругой и пластической деформаций.

Упругий контакт. Задача Герца (основные предпосылки и расчетные формулы).

Пластический контакт. Проба Бринелля. Условия перехода к пластическому течению.

Упруго-пластический контакт. Вдавливание твердого шарового индентора в упруго-пластическую среду. Остаточные напряжения.

Вязкоупругий контакт. Вязкоупругий аналог задачи Герца.

Упругий контакт гладких тел с учетом адгезии. Теории Джонсона-Кендалла- Робертса и Дерягина-Муллера-Топорова.

Соприкосновение и сближение шероховатых поверхностей под нагрузкой. Номинальная, контурная и фактическая площади контакта. Методы измерения фактической площади контакта.

Расчет фактической площади контакта на основе вероятностных соображений и представлений об опорной кривой.

5. Трение скольжения при отсутствии смазки

Основные законы трения (законы Кулона-Амонтона).

Формирование фрикционных связей. Условие перехода от упругого контакта к пластическому и от пластического к микрорезанию.

Трение покоя. Переход от трения покоя к трению скольжения. Предварительное смещение.

Двойственная природа трения. Адгезионная и деформационная составляющие трения. Простые модели трения.

Основные теории трения (молекулярная, молекулярно-кинетическая, энергетическая и др.).

Скачки при трении.

Зависимость трения от нагрузки, скорости скольжения, температуры, шероховатости.

Трение металлов, керамик, полимеров и композитов на их основе.

6. Трение качения

Природа трения качения. Коэффициент трения качения и сопротивление качению.

Теории проскальзывания. Проскальзывание по Рейнольдсу и дифференциальное проскальзывание. Гистерезис. Адгезия. Пластическая деформация. Общее сопротивление качению.

Факторы, влияющие на сопротивление качению: нагрузка, скорость, радиус тела качения, смазочные материалы.

Методы исследования потерь на трение качения. Влияние трения качения на рабочие характеристики фрикционного узла.

Контактные напряжения и деформации при качении под нагрузкой. Основные виды разрушения поверхностей деталей: усталостное выкрашивание, фреттинг, отслаивание.

7. Смазочные материалы

Назначение смазочных материалов и требования к ним. Классификация смазочных материалов.

Смазочные масла, их физико-механические свойства и смазочное действие. Вязкость и методы ее определения.

Присадки к маслам, их классификация, структура и механизм действия.

Магнитные жидкости для смазки узлов трения.

Пластичные смазочные материалы, их природа, структура и основные свойства.

Твердые смазочные материалы. Классификация и свойства. Слоистые, металлические и полимерные смазочные материалы.

Искусственные синовиальные жидкости для смазки биосуставов.

Испытание смазочных материалов. Выбор и рациональное применение смазочных материалов.

8. Трение при граничной смазке

Образование граничных адсорбционных слоев, их строение, ориентация, расклинивающее действие. Специфические свойства смазочных материалов в граничном слое.

Температура дезориентации. Критическая температура граничных слоев при трении.

Механизм смазочного действия и разрушения граничных слоев. Влияние скорости скольжения, температуры, нагрузки, материала поверхностей.

Влияние химически активных присадок на смазочное действие граничных слоев. Температура химической модификации поверхностей.

9. Гидродинамическое трение

Зависимость вязкости масла от температуры и давления. Формула Баруса.

Течение смазок. Закон Ньютона. Формула Петрова.

Гидродинамический клин. Уравнение Рейнольдса, его физический смысл. Граничные условия.

Упорные подшипники. Ступенька Релея. Несущая способность упорных подшипников.

Уравнения Рейнольдса для радиальных подшипников (бесконечно длинный и короткий подшипники).

Особенности работы подшипников и подпятников с газовой смазкой.

Основные положения упруго-гидродинамической теории смазки. Распределение давления.

Гидростатическая смазка.

Диаграмма Герси-Штрибека.

10. Тепловые процессы при внешнем трении

Тепловыделение при внешнем трении. Вклад в тепловыделение пластического деформирования, диспергирования поверхностных слоев твердых тел, гистерезиса и изменения энергии адгезии.

Теплофизические характеристики материалов. Распространение тепла в твердых телах. Закон Фурье. Уравнение теплопроводности. Особенности краевых условий для температурных задач трения.

Температура на скользящем контакте. Формулы Блока и Егера. Максимальная и средняя температуры поверхности трения, температура вспышки, объемная температура.

Коэффициент распределения тепловых потоков.

11. Изнашивание материалов и деталей машин

Простая модель изнашивания. Уравнение Арчарда.

Основные механизмы изнашивания.

Абразивное изнашивание (изнашивание закрепленными и свободными частицами). Влияние твердости на абразивное изнашивание. Формула Хрущова.

Адгезионное изнашивание. Фрикционный перенос. Схватывание поверхностей трения. Сварка трением.

Усталостное изнашивание. Физическая картина усталостного изнашивания. Возникновение трещин.

Коррозионное изнашивание. Природа коррозии при трении. Роль окислов.

Фреттинг. Эрозийное изнашивание. Кавитационное изнашивание. Абляция.

Эрозионное изнашивание. Влияние угла атаки на интенсивность изнашивания при эрозии.

Кавитационное изнашивание.

Комбинированные механизмы изнашивания (коррозионно-механическое, молекулярно-механическое и т.д.).

Кинетика изнашивания трибосистем. Приработка.

Карты износа.

Методы повышения износостойкости деталей машин (конструкционные, технологические, материаловедческие, эксплуатационные).

12. Трибоиспытания, диагностика и мониторинг износа

Общая методология. Методы замера микротвердости поверхностей, износа, сил трения и температуры.

Методы испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов (классификация по геометрии контакта и кинематике взаимного движения пар трения).

Обработка экспериментальных данных, их представление и стандартизация. PV – диаграммы.

Планирование и анализ экспериментов. Методы подобия и размерностей.

Трибологические базы данных.

Методы диагностики износа (полярография, седиментометрия, акустические, электрофизические, оптические и др. методы).

Мониторинг трибосистем (вибродиагностика, акустические методы, анализ смазочного материала).

13. Трибоматериаловедение

Принципы подбора материалов для узлов трения (прирабатываемость, совместимость элементов трущейся пары, износостойкость, усталостная прочность, задиростойкость).

Металлы и сплавы.

Керамические материалы.

Полимеры.

Композиционные материалы.

Антифрикционные покрытия (электрохимические, вакуумные, наплавки и пр.).

Фрикционные материалы.

Методы упрочнения и модификации поверхностных слоев пар трения (наплавка, имплантирование, лазерная закалка и т.д.)

14. Узлы трения

Подшипники скольжения. Конструкции, режимы трения, виды изнашивания. Оценка работоспособности.

Подшипники качения. Конструкции, режимы трения и характерные виды изнашивания. Нагрузочная способность.

Зубчатые передачи. Типы зубчатых передач. Трение, изнашивание и усталость зубчатых колес. Оценка износостойкости.

Уплотнения. Типы уплотнений. Трение и износ уплотнений.

Тормоза. Типы тормозов. Муфты сцепления.

Электрические контакты. Классификация, вопросы конструирования, материалы и смазки.

Узлы трения экстремальных систем. Влияние на трение и износ низких и высоких температур, радиации, вакуума, состава газовых и коррозионных сред.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА

  1. Принципы разработки антифрикционных материалов на основе полимеров.
  2. Металлополакирующие смазки. Механизм действия. Основные типы.
  3. Самосмазывающие материалы на основе древесины.
  4. Смазки с радиационно-модифицирующими добавками.
  5. Механо-химические процессы при трении полимеров.
  6. Подшипники качения с полимерными конструктивными элементами.
  7. Принципы разработки теплостойких фрикционных пластиков.
  8. Трение при высоких скоростях. Основные закономерности для полимерных материалов.
  9. Методы исследования продуктов износа и фрикционно-перенесенных слоев полимерных материалов.
  10. Трение, изнашивание и смазка электрических контактов. Металлополимерные электрические контакты.
  11. Влияние экстремальных условий эксплуатации на работу полимерных и металлополимерных пар (вакуум, облучение, коррозионные среды, температурные поля, перегрузки и т.д.).
  12. Трение и изнашивание тонкослойных полимерных покрытий.
  13. Методы измерения и оценки трехмерных характеристик шероховатых поверхностей.
  14. Экспериментальное и теоретическое исследование температурных полей в зоне фрикционного контакта.
  15. Зондовые методы исследования электрофизических характеристик фрикционного контакта.
  16. Трение и износ фторопластовых колец в компрессорах
  17. Трение качения шин.
  18. Физико-химические явления при фрикционном взаимодействии полимерных смесей с металлами.
  19. Биотрибология: основные принципы, достижения и приложения.
  20. Биотрибология синовиальных суставов.
  21. Трибология искусственных суставов.
  22. Использование атомно-силовой микроскопии для оценки топографических и механических характеристик твердых поверхностей.
  23. Нанотрибология: основные принципы, достижения и приложения (МЭМСы).
  24. Смазка мономолекулярными и самособирающимися пленками.
  25. Морфология поверхностей трения и ее связь с механизмами изнашивания.
  26. Основные стандарты в области трения, износа и смазки.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Крагельский И.В., Щедров B.C., Развитие науки о трении, М., Изд-во АН СССР, 1956.
  2. Боуден Ф.П., Тейбор Д., Трение и смазка твердых тел, М., Машиностроение, 1968.
  3. Крагельский И.В., Трение и износ, М., Машиностроение, 1968.
  4. Костецкий Б.И., Трение, смазка и износ в машинах, Киев, техника, 1970.
  5. Ахматов А.С., Молекулярная физика граничного трения, М., Изд-во физ.-мат. литературы, 1961.
  6. Демкин Н.Б., Контактирование шероховатых поверхностей, М., Наука, 1970.
  7. Матвеевский P.M., Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов, М., Наука, 1971.
  8. Пинегин С.В., Трение качения в машинах и приборах, М., Машиностроение, 1976.
  9. Белый В.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И., Савкин В.Г., Трение полимеров, М., Наука, 1972.
  10. Силин А. А., Трение и его роль в развитии техники, М., Наука, 1976.
  11. Свириденок А.И., Чижик С.А., Петроковец М.И., Механика дискр-етного фрикционного контакта, Минск, Наука и техника, 1990.
  12. Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ, Под ред. В.А. Белого, К. Лудемы, Н.К. Мышкина М., Машиностроение, 1993.
  13. Бакли Д., Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии, М., Машиностроение, 1986.
  14. Основы трибологии (трение, износ, смазка), под ред. А.В. Чичинадзе, М., Центр "Наука и техника", 1995.
  15. Фукс Н.Г., Буяновский И.А., Введение в трибологию, М., Нефть и газ, 1995.
  16. Трение, изнашивание и смазка: справочник. В 2-х кн. Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина, М., Машиностроение, 1976.
  17. Богданович П.Н., Прушак В.Я., Богданович С.П., Трение, смазка и износ в машинах, Мн.: Тэхналогія, 2011.
  18. Орлов Д.В., Михалев Ю.О., Мышкин Н.К. и др., Магнитные жидкости в машиностроении, М., Машиностроение, 1993.
  19. Гаркунов Д.Н., Триботехника, М., Машиностроение, 1989.
  20. Мышкин Н.К., Петроковец М.И., Трибология. Принципы и приложения, Гомель, ИММС НАНБ, 2002.
  21. Маркова Л.В., Мышкин Н.К., Трибодиагностика машин, Мн.: Беларусская наука, 2005.
  22. Купчинов Б.И., Ермаков С.Ф., Белоенко Е.Д., Биотрибология синовиальных суставов, Мн.: Веды, 1997.
  23. Пинчук Л.С., Николаев В.И., Цветкова Е.А. Эндопротезирование суставов, Гомель, ИММС НАНБ, 2003.
  24. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. М., Наука, 2001.
  25. Д. Уайтхауз. Метрология поверхностей. Принципы, промышленные методы и приборы. Долгопрудный: Интеллект, 2009.
  26. Колесников В.Н. Теплофизические процессы в металлополимерных системах. М., Наука, 2003.
  27. B.C. Комбалов. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов. Справочник. М.: Машиностроение, 2008.
  28. Барков, А. В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации/ А. В. Барков, Н. А. Баркова, А. Ю. Азовцев - СПб., 2000.
  29. Теория и практика нанесения защитных покрытий / П.А. Витязь, B.C. Ивашко, А.Ф. Ильющенко и др. Мн., Белорусская наука. 1998.
  30. Цеев Н.А., Козелкин В.В., Гуров А.А. Материалы для узлов сухого трения, работающие в вакууме. Справочник. М., Машиностроение, 2001.
  31. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.: Машиностроение, 1986.