Цели и задачи обучения

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Повышение долговечности (факультатив)
Введение
Развитие науки и техники позволяет создавать машины, отличающиеся высокой
надежностью в работе и большими функциональными возможностями. Процесс
совершенствования машин характеризуется увеличением нагрузочных параметров,
снижением материалоемкости, что значительно усложняет задачу обеспечения
безотказности работы машин, надежности и ресурса современной техники.
Решение задачи надежности и долговечности современных машин возможно при
наличии высококвалифицированных кадрови нженеров –конструкторов и технологов, в
совершенстве владеющих современными достижениями в области обеспечения
работоспособности узлов трения машин, поскольку весьма распространенной причиной
отказа машин является выход из строя их трибосопряжений.
Процессы и явления, происходящие в системах, где тела контактируют друг с
другом в условиях взаимного перемещения и трения (трибосистемах), являются объектом
изучения нового направления физики–трибофизики. Задачи трибофизики выходят за
пределы механики и материаловедения, поскольку для их решения необходимо
рассматривать весь комплекс явлений и процессов в трибосистеме, включая
дефрмационные, тепловые, электрические, диффузионные, химические и т.п.
Научный и понятийный аппарат предлагаемого факультативного курса
«Повышение долговечности» отражает современное состояние развития трибологии и
трибофизики, которое можно рассматривать как процесс становления.
Рекомендуемая литература
Вопросам науки о трении, изнашивании и смазке машин–трибологии , посвящена
обширная научная литература . Что касается учебных пособий, предназначенных для
студентов машиностроительных специальностей, то здесь выбор весьма ограничен. При
формировании данного вариата рабочей программы курса составитель вынужден был
ограничиться учебными пособиями [1,2], а также некоторыми доступными включениями
из научных источников[3–31 ].
Цели и задачи обучения.
Целью изучения дисциплины является формирование у студентов системы знаний
и навыков по фундаментальным вопросам теории трения и изнашивания твердых тел,
способность их использования в практике.
Задачи изучения дисциплины:


сформировать представление о явлениях, протекающих в зоне фрикционного
контакта, их механизмах и условиях проявления;
изучить закономерности трения и изнашивания при различных условиях и режимах
нагружения твердых тел;



дать сведения о методах проведения триботехнических испытаний и способах
управления параметрами контактного взаимодействия твердых тел;
привить навыки использования теоретических знаний при решении практических
вопросов по выбору комплекса мероприятий, направленных на повышение
износостойкости деталей машин;
способствовать формированию у студентов инженерного мышления, развивать
подход к решению технических проблем.
Требования к уровню знаний
В результате обучения студенты 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;
уметь оценить состояние трибосистемы и прогнозировать их ресурс;
иметь представление о перспективных направлениях развития трибологии.
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
История трибологии
Великие трибологические открытия древности (огонь, смазка, колесо).
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, Рейнольдс, Зомерфельд,
Релей, Митчел).
Разработка основ упруго-гидродинамической теории смазки (Грубин, Эртель,
Петрусевич).
Борьба с износом деталей машин (Хрущов, Арчард, Костеций).
1. Физика и химия поверхностей твердых тел
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.
2. Геометрия твердых поверхностей
Общее представление о реальной топографии поверхности деталей машин и условиях ее
формирования. Макроотклонения, волнистость, шероховатость, субшероховатость.
Современные методы измерения топографии реальных поверхностей.
Методы описания и моделирования реальных поверхностей. Детерминистский,
вероятностный и фрактальный методы. Методы случайных функции и опорной кривой.
Параметры шероховатости. Представление о средней линии и системах ее проведения.
Базовая длина и нормирование шероховатости с ее учетом. Относительная опорная длина
профиля.
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 упругопластическую 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.
Возникновении 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, молекулярномеханическое и т.д.).
Кинетика изнашивания трибосистем. Приработка.
Карты износа.
Методы повышения износостойкости деталей машин (конструкционные,
технологические, материаловедчиские, эксплуатационные).
12. Трибоиспытания, диагностика и мониторинг износа
Общая методология. Измерительные методы замера микротвердости поверхностей,
износа, сил трения и температуры.
Основные типы лабораторного оборудования. Машины 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.
Анализ частиц износа.
Мониторинг трибосистем.
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 обработки поверхностей трения (изменение структуры и свойств, упрочняющая
обработка и т.д.).
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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Машков Ю.К. Трибология конструкционных материалов. Учебное пособиею
Омск. 1986г.–304с.
2. Машков Ю.К. , Полещенко К.Н. Трение и ммодифицирование материалов
трибосистем. М:. Наука.2000–280с.
3. Крагельский И.В., Щедров В.С., Развитие науки о трении, М., Изд-во АН СССР,
1956
4. Боуден Ф.П., Тейбор Д., Трение и смазка твердых тел, М., Машиностроение, 1968
5. Крагельский И.В., Трение и износ, М., Машиностроение, 1968
6. Костецкий Б.И., Трение, смазка и износ в машинах, Киев, техника, 1970
7. Ахматов А.С., Молекулярная физика граничного трения, М., Изд-во физ.-мат.
литературы, 1961
8. Демкин Н.Б., Контактирование шероховатых поверхностей, М., Наука, 1970
9. Матвеевский Р.М., Температурная стойкость граничных смазочных слоев и
твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов, М., Наука, 1971
10. Пинегин С.В., Трение качения в машинах и приборах, М., Машиностроение, 1976
11. Белый В.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И., Савкин В.Г., Трение полимеров,
М., Наука, 1972.
12. Силин А.А., Трение и его роль в развитии техники, М., Наука, 1976
13. Свириденок А.И., Чижик С.А., Петроковец М.И., Механика дискретного
фрикционного контакта, Минск, Наука и техника, 1990.
14. Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ, Под ред. В.А.
Белого, К. Лудемы, Н.К. Мышкина М., Машиностроение, 1993.
15. Бакли Д., Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии, М.,
Машиностроение, 1986
16. Основы трибологии (трение, износ, смазка), под ред. А.В. Чичинадзе, М., Центр
"Наука и техника", 1995
17. Фукс Н.Г., Буяновский И.А., Введение в трибологию, М., Нефть и газ, 1995
18. Трение, изнашивание и смазка: справочник. В 2-х кн. Под ред. И.В. Крагельского и
В.В. Алисина, М., Машиностроение, 1976
19. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах, Мн.: Высшая школа,
1999
20. Орлов Д.В., Михалев Ю.О., Мышкин Н.К. и др., Магнитные жидкости в
машиностроении, М., Машиностроение, 1993
21. Гаркунов Д.Н., Триботехника, М., Машиностроение
22. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трибология. Принципы и приложения, Гомель,
ИММС НАНБ, 2002
23. Маркова Л.В., Мышкин Н.К., Трибодиагностика машин, Мн.: Беларусская наука, 2005
24. Купчинов Б.И., Ермаков С.Ф., Белоенко Е.Д., Биотрибология синовиальных
суставов, Мн.: Веды, 1997
25. Пинчук Л.С., Николаев В.И., Цветкова Е.А. Эндопротезирование суставов, Гомель,
ИММС НАНБ, 2003
26. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. М., Наука, 2001
27. Колесников В.Н. Теплофизические процессы в металлополимерных системах. М.,
Наука, 2003
28. Цеев Н.А., Козелкин В.В., Гуров А.А. Материалы для узлов сухого трения,
работающие в вакууме. Справочник. М., Машиностроение, 2001
29. Теория и практика нанесения защитных покрытий /П.А. Витязь, В.С. Ивашко, А.Ф.
Ильющенко и др. Мн., Белорусская наука. 1998
30. Handbook Tribology. Ed. Dy B. Bhushan and B.K. Gupta. Vc Graw-Hill. Inc. 2000
31. Friction, Lubrication and Wear Technology ASM International. //ASM Handbook. V.18.
Td. By P.J.Blau. 1998
Тестовые задания
1)
2)
3)
4)
Основные понятия, законы трения и смазки, мероприятия триботехники
1. Технические и технологические мероприятия обеспечения оптимального
функционирования узлов трения – это:
трибоника;
трибология;
восстановление детали;
триботехника.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
2. Процесс отделения материала с поверхности твердого тела при трении и
накоплении усталостных напряжений, проявляющихся в постепенном изменении
формы и размеров – это:
изнашивание;
схватывание;
задир;
заедание;
сила трения;
износ;
поверхность трения.
3. Процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие
схватывания и переноса материала – это:
1) изнашивание;
2) схватывание;
3) задир;
4) заедание;
5) сила трения;
6) износ;
7) поверхность трения.
4. Явление местного соединения двух тел, происходящее при трении
вследствие молекулярных сил – это:
1) изнашивание;
2) схватывание;
3) задир;
4) заедание;
5) сила трения;
6) износ;
7) поверхность трения.
5. Повреждение поверхностей трения в виде широких и глубоких борозд в направлении
скольжения – это:
1) изнашивание;
2) схватывание;
3) задир;
4) заедание;
5) сила трения;
6) износ;
7) поверхность трения.
6. Результат изнашивания – это:
1) изнашивание;
2) схватывание;
3) задир;
4) заедание;
5) сила трения;
6) износ;
7) поверхность трения.
7. Сила сопротивления относительного перемещения двух тел при трении, приложенная
в зоне контакта – это:
1) изнашивание;
2) схватывание;
3) задир;
4) заедание;
5) сила трения;
6) износ;
7) поверхность трения.
8. Поверхность тел, участвующих в трении – это:
1) изнашивание;
2) схватывание;
3) задир;
4) заедание;
5) сила трения;
6) износ;
7) поверхность трения.
9. Площадь, образованная в местах касания объемным смятием тел, обусловленным
волнистостью – это:
1) номинальная площадь контакта;
2) контурная площадь контакта;
3) фактическая площадь контакта;
4) физическая площадь контакта;
5) теоретическая площадь контакта.
10. Сумма фактических малых площадок контакта поверхностей тел – это:
1) номинальная площадь контакта;
2) контурная площадь контакта;
3) фактическая площадь контакта;
4) физическая площадь контакта;
5) теоретическая площадь контакта.
11. Геометрическое место всех возможных фактических площадок контакта,
очерченное размерами соприкасающихся тел – это:
1) номинальная площадь контакта;
2) контурная площадь контакта;
3) фактическая площадь контакта;
4) физическая площадь контакта;
5) теоретическая площадь контакта.
12. Контурная площадь контакта составляет от номинальной:
1) несколько тысячных процента;
2) несколько сотых процента;
3) несколько десятых процента;
4) несколько процентов;
5) несколько десятков процентов.
13. Фактическая площадь контакта составляет от номинальной:
1) несколько тысячных процента;
2) несколько сотых процента;
3) несколько десятых процента;
4) несколько процентов;
5) несколько десятков процентов.
14. Возникновение молекулярной связи между поверхностными слоями разнородных
твердых или жидких тел - это:
1) адсорбция;
2) адгезия;
3) когезия;
4) адсорбат;
5) адсорбент.
15. Возникновение молекулярной связи между поверхностными слоями однородных
твердых или жидких тел - это:
1) адсорбция;
2) адгезия;
3) когезия;
4) адсорбат;
5) адсорбент.
16. Концентрация жидких или газообразных веществ на поверхности твердых тел или
жидкостей - это:
1) адсорбция;
2) адгезия;
3) когезия;
4) адсорбат;
5) адсорбент.
17. Жидкостная смазка, при которой полнее разделение поверхностей трения
осуществляется в результате давление, самовозникающего в жидкости при
относительном движении поверхностей называется:
1) гидродинамическая;
2) гидростатическая;
3) граничная;
4) эластогидродинамическая;
5) смешанная.
18. Жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей,
находящихся в относительном движении или покое, осуществляется жидкостью,
поступающей в зазор между поверхностями под внешнем давлениемназывается:
1) гидродинамическая;
2) гидростатическая;
3) граничная;
4) эластогидродинамическая;
5) смешанная.
19. Жидкостная смазка, при которой трение и толщина пленки жидкого материала
между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяется
упругими свойствами материалов, а также реологическими свойствами смазочного
материала называется:
1) гидродинамическая;
2) гидростатическая;
3) граничная;
4) эластогидродинамическая;
5) смешанная.
20. Смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в
относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами
смазочного материала называется:
1) гидродинамическая;
2) гидростатическая;
3) граничная;
4) эластогидродинамическая;
5) смешанная.
21. Смазка, при которой осуществляется частично гидродинамическая, частично
граничная смазка называется:
1) гидродинамическая;
2) гидростатическая;
3) граничная;
4) эластогидродинамическая;
5) смешанная.