Спецкурс по физическим основам трибологии

ДНМ.В.3.2 Спецкурс по физическим основам трибологии
Преподаватель: Колубаев Александр Викторович
11 семестр 2 год обучения
1) Краткое содержание дисциплины:
Проблемы трения, износа и смазки в машинах. Прикладные задачи по повышению
износостойкости и управлению трением за счет применения новых конструкций узлов,
материалов и эксплуатационных приемов.
2) Кредитная стоимость дисциплины: 4 кредита
3) Цель:
изложить современные научные представления трибологии о физической природе
явлений, протекающих на фрикционном контакте, о механике и термодинамике процессов
трения, изнашивания и смазки. Рассмотреть механизмы формирования и разрушения
поверхностных слоев при трении, дать студентам основные сведения о триботехнических
материалах. Освоить физические методы исследования процессов трения и изнашивания,
технологические способы повышения износостойкости и эксплуатационных свойств
деталей узлов трения.
4) Результаты обучения:
магистрант должен:
1. Уметь оценивать конструкцию узла трения по ее работоспособности, надежности,
экономичности расходования масел, простоты обслуживания, условиям экологической
безопасности и др.;
2. Владеть основными методами триботехнических испытаний материалов,
нормированных ГОСТом;
3. Знать основные способы и технологии обработки материалов, обеспечивающие
повышение износостойкости и снижение коэффициента трения в сопряжении.
5) Содержание:
1. Введение: Понятие трибологии. Силовые факторы; диссипация энергии; тепловые и
температурные процессы; изменение структуры и разрушение областей взаимодействия
твердых тел. Триботехника. Место дисциплины в подготовке инженеров механиков и
технологов. – 1 ч.
2. Свойства трущихся тел и их поверхностей: Представления о природе взаимодействия
твердых тел при трении. Металлы, композиты, полимеры, дисперсные системы и др.
Формирование и строение граничных слоев. Дефекты структуры. Специфическое влияние
водорода и радиации. Адгезия и когезия контактирующих тел. Диффузионные процессы.
Эффект П.А. Ребиндера. Коррозия металлов. Поверхностно- активные вещества.
Взаимодействие поверхностей твердых тел с жидкостями. Явления переноса материалов
при трении. Эффекты избирательного переноса. Механико-физическое состояние
поверхностных граничных слоев. Методы исследования структуры и свойств граничных
слоев. . - 2 ч.
3. Контактное взаимодействие твердых тел. Геометрия поверхностей твердых тел и ее
описание. Механика контактного взаимодействия. Виды контакта. Напряженнодеформированное состояние области контакта твердых тел при трении под действием
нормальных и касательных сил. Микро и макрогеометрия контакта. Случайный характер
взаимодействия микронеровностей в контакте. Номинальная, контурная и фактическая
площадь контакта и методы ее определения. Влияние тепловых и температурных
процессов, возникающих при трении, на контактирование шероховатых и волнистых
поверхностей. Экспериментальные методы определения основных характеристик
контакта. - 2 ч.
4. Трение твердых тел. Диссипация энергии при трении. Физические и химические
явления при трении. Перенос материалов. Механическое упрочнение и разупрочнение
поверхностей. Сила и коэффициент трения. Законы трения. Понятие по И.В.
Крагельскому об области контакта как о «третьем теле». Схватывание при трении.
Определение сил и коэффициентов внешнего трения. Трение различных материалов.
Трение о лед. Трение сыпучих материалов. – 2 ч.
5. Трение и динамика машин. Силовое взаимодействие твердых тел с учетом трения.
Трение «покоя» и движения. Трение при скольжении и качении тел. Механические и
трибологические аспекты процессов трения качения в системе «колесо-рельс».
Коэффициент сцепления. Трение без смазочного материала и со смазочным материалом.
Механические автоколебания при сухом трении. Свободные и вынужденные колебания
механизмов с учетом сил трения в тибосопряжениях. Влияние внешних вибраций на
процесс трения. - 2 ч.
6. Тепловые процессы при трении. Теплообразование при стационарном, нестационарном
и повторно-кратковременном режиме трения. Температурная вспышка. Эффективная
глубина проникновения тепловых потоков на микро- и макроконтакте при сухом трении и
граничной смазке. Влияние температуры на фрикционно-износные, прочностные и
теплофизические характеристики материалов пар трения. Влияние температуры и
температурного градиента на процессы, протекающие на поверхностях трения и в
объемных слоях твердых тел. Тепловая динамика трения и изнашивания при сухом трении
и граничной смазке. Постановка и методы решения температурных задач трения для
тормозов, муфт сцепления, зубчатых передач, подшипников скольжения и качения. - 1 ч.
7. Смазка и смазочное действие. Смазка и смазочные материалы. Общие требования к
смазочным материалам. Классификация смазочных материалов. Общие представления о
выборе типа смазочного материала. Закон вязкого течения Ньютона. Ньютоновские и
неньютоновские жидкости. Вязкость как важнейшая характеристика смазочных
материалов. Жидкостный, граничный и смешанный режимы смазки. Условия реализации
режимов смазки. Гидродинамическая смазка. Основное уравнение гидродинамической
теории смазки (уравнение Рейнольдса). Точное решение уравнения Рейнольдса для
подшипников скольжения бесконечной длины. Газовая смазка. Граничная смазка.
Современные представления о механизме образования, строении и механизме смазочного
действия граничных слоев. Механические свойства граничных слоев. Специфические
методы организации граничной смазки. Смешанная смазка. – 1 ч.
8. Виды и характеристики изнашивания. Терминология в области изнашивания.
Характеристики изнашивания. Классификационные признаки и виды изнашивания.
Кинетика изнашивания. Изнашивание при приработке и установившемся режиме.
Вероятностный характер изнашивания. Характеристика основных видов изнашивания.
Примеры изнашивания отдельных деталей и узлов трения при различных режимах и
условиях эксплуатации. Определение вида изнашивания. - 2 ч.
9. Основы разрушения поверхностей твердых тел при трении. Формирование граничных
слоев при трении и процессы, приводящие к их разрушению. Влияние на изнашивание
окружающей среды, вторичных граничных структур, остаточных напряжений, абразивных
частиц, продуктов износа, режимов работы контакта. Влияние электрических, магнитных,
радиационных полей на эксплуатационные свойства трибосопряжений. - 2 ч.
10. Методы повышения износостойкости деталей и узлов трения. Основы
триботехнического материаловедения. Требования к материалам триботехнического
назначения. Свойства и выбор материалов для узлов и деталей трения. Обеспечение
совместимости материалов в трибосопряжениях. Направленный синтез материалов
триботехнического назначения. Методы поверхностного упрочнения и модификации
поверхностей трения. - 1 ч.
11. Методы испытаний узлов трения. Цели и задачи испытаний материалов и узлов
трения. Сертификация конструкционных и смазочных материалов, деталей и узлов
триботехнического назначения. Методы и приборы для испытания смазочных материалов.
Обработка и представление результатов испытаний. Диагностика технического состояния
трибосопряжений. Рациональный цикл испытаний (РЦИ)
фрикционных и
антифрикционных материалов. Инфраструктура трибологических испытаний.– 1 ч.
12. Роль трибологии в решении проблем безопасности, экологии, экономики.
Триботехнические источники загрязнения среды. Социально-экономические потери
национального хозяйства, регионов и организаций, обусловленные триботехническими
источниками. Триботехническая надежность и методы обеспечения безопасности
эксплуатации машин и механизмов в опасных производствах. – 1 ч.
6) Пререквизиты:
Для успешного освоения дисциплины студент должен знать фундаментальные основы
курсов: “Высшая математика”, ЕН.Ф. 02 “Физика”, “Материаловедение”, ЕН. Ф. 06
“Теоретическая механика”, “Современные упрочняющие и ремонтно-восстановительные
технологии и оборудование”
7) Основной учебник
1. Основы трибологии: Учебник для технических вузов/Под ред. А.В. Чичинадзе. - М.:
Центр «Наука и техника», 1995.- 778 с
2. И.В. Крагельский. Трение и износ.-М.:Машиностроение,1968.-480с.
3. Ф. Боуден, Д. Тейбор. Трение и смазка твердых тел.- М.: Машгиз, 1968.-151с.
4. И.В. Крагельский, Н.М. Михин. Узлы трения машин. – М.: Машиностроение, 1984. –
280 с.
5. Справочник по триботехнике / Под ред. М. Хебды, и А.В. Чичинадзе. В 3 т. – М.:
Машиностроение. Т.1 – 1989. – 400 с.; Т.2 – 1990. – 420 с.; Т.3 – 1992. – 730 с.
8) Дополнительная литература:
1. Д. Бакли. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. - М.:
Машиностроение, 1986. – 360 с.
2. В.Н. Кащеев. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. - М.:
Машиностроение, 1978. – 213 с.
3. С.Н. Постников. Электрические явления при трении и резании. – Горький: ВолгоВятское книжное издательство, 1975. – 280 с.
4. Г.П. Шпеньков. Физикохимия трения. – Мн.: Университетское, 1991. – 397 с.
9) Координатор: Колубаев Александр Викторович, профессор кафедры ФВТМ, д.ф-м.н.
10) Использование компьютера:
Компьютер используется при выполнении лабораторных работ.
11) Практические задания (лабораторные работы):
1. Изучение законов трения при испытании материалов по схеме «вал-втулка»на машине
трения 2168 УМТ-1. (6 ч.)
2. Определение коэффициента трения и величины износа металлических материалов на
машине трения 2168 УМТ-1 при испытании по схеме «палец-диск». (6 ч.)
3. Изучение динамических эффектов при трении металлов с применением метода
акустической эмиссии. (6 ч.)