История трибологии

Смазочные технологии и смазочные материалы в процессе исторического развития

 
 

С момента возникновения Земли процессы трения и изнашивания всегда играли важнейшую роль. Так, механизм работы суставов у позвоночных или слой слизи у рыб есть ничто иное как идеальная, возникшая в процессе эволюции трибологическая система.


О трении, а значит и о трибологии, людям было известно еще в каменном веке: если вставить сухую деревянную палочку в отверстие куска дерева и терпеливо водить ею вперед-назад, то по прошествии некоторого времени можно добыть огонь. В этом случае трение являлось эффективным средством достижения цели.
500–600 тыс. лет назад люди начали пользоваться первыми инструментами, такими как рычаги, каменный топор и т.п. Много позже, примерно 5–6 тыс. лет назад, с изобретением лучковой дрели и гончарного круга, появились первые простейшие машины; однако с явлениями трения и износа люди познакомились гораздо раньше.
За счет силы трения люди добывали огонь. Известным примером трибологии является использование тележек и роликов для уменьшения силы трения при перевозке тяжелых грузов.
В истории мы находим доказательства того, что попытки заставить явления трения и износа служить на благо людей приняты очень давно. Эффекты трибологии были известны людям.

Попытки человечества отыскать эффективные смазочные материалы столь же многочисленны и стары, как и сама история. Китайцы уже в 3500 г. до н.э. начали эксплуатировать смазочное действие воды, египтяне в 1400 г. до н.э. смазывали свои колесницы животным жиром или оливковым маслом, смешанным с порошковой известью; в 780 г. до н.э. китайцы обнаружили снижающие трение свойства смеси растительных масел и свинца, а более 100 лет назад впервые заговорили о пригодности воздуха в качестве смазочного материала. Эффекты трибологии дошли до нас через тысячелетия.

Трибология — с 3500 по 30 гг., эпоха шумеров и египтян

«Голь на выдумки хитра»: эта пословица точнее всего описывает эпоху неолита (4000–1800 г. до н.э.). Сейчас можно предположить, что для снижения трения шумеры и египтяне использовали некоторые «смазочные материалы» (битум, животный и растительный жир, воду). Все это было связано с трибологией .


Примеры многочисленны:

  • Простые устройства для разжигания огня и проделывания отверстий с помощью вращательных движений
  • Гончарные круги с опорами из дерева и камня
  • Осевые подшипники с кожаными петлями для роликовых и колесных транспортных средств
  • Использование смазочных веществ, таких как масло, жир, вода
  • Появление тележек для перевозки тяжелых камней

Еще около 3000 лет назад шумеры оснащали свои транспортные средства кожаными петлями и перевернутыми деревянными «рогатками» для поддержания жестких осей. Судя по археологическим находкам, точки трения у этих механизмов были смазаны, чтобы уменьшить трение, а следовательно — и износ.


Подшипник качения обязан своим названием и происхождением «телам качения», таким как круглые лесоматериалы, которые использовались египтянами во времена фараонов.
Этот метод позволил повысить скорость работы, решить проблему трибологии трения и упростить выполнение определенных задач.
Идея о замене трения скольжения на трение качения уже давно появилась в истории цивилизации.

На некоторых участках египетского рельефа остались следы транспортировки огромных каменных блоков, предназначенных для строительства монументов и перемещавшихся не перекатом, а на стволах деревьев.

Ägypten

Найденное изображение наглядно доказывает, что транспортировка египетской статуи к усыпальнице Техути-хетеп примерно в 1880 г. до н.э. в эль-Берше уже производилась на полозьях, обработанных смазкой.


На изображении отчетливо виден человек, наливающий смазочное вещество перед поверхностями скольжения. Подпись к изображению указывает, что смазочным веществом была вода, в то время как в сопровождающем изображение эпиграфе говорится, что это было оливковое масло. Первое вспомогательное вещество в истории трибологии .

Трибология — 2000 г. до н.э.

Со смазкой все работает лучше — это знали еще древние египтяне.


Оливковым маслом даже смачивали поверхность трона фараона. Благодаря снижению трения экономятся силы 50% персонала поезда.

В другие исторические эпохи в качестве смазочных материалов и противоизносных присадок в рамках трибологии главным образом использовались растительные масла и животные жиры. Однако мы также можем предположить, что в древние времена для этого применялся и битум (получаемый из нефти).

Трибология — 650 г. до н.э.

Самые первые документы об использовании колес для уменьшения трения.

Трибология — 330 г. до н.э.

Греческий инженер Диад, возможно, разработал один из самых первых подшипников качения для поддержки таранов военных кораблей — еще одно достижение трибологии.

Трибология — 50 г. до н.э. до 50 г. н.э., Римляне

Остатки вращающейся платформы с корабля императора Калигулы, найденные в 1930 году на дне озера Неми, показывают, что еще в древние времена людям были знакомы простейшие подшипники.

Эта платформа может стать одним из первых примеров использования упорных подшипников, то есть подшипников, предназначенных для поддержания непосредственных нагрузок и способных вращаться вокруг своей оси.

Трибология — 1452–1519 гг., Леонардо да Винчи

«Механические науки — самые благородные и полезные из всех, так как с их помощью все движимые тела выполняют работу, для которой были созданы».


Изучение трибологии как науки началась только в период новейшей истории начиная с Леонардо да Винчи, который исследовал тему трения в 1500 году с точки зрения коэффициента трения (покоя) на наклонной плоскости. Да Винчи определил значение коэффициента трения f = ¼ и сформулировал законы сухого трения.


Да Винчи провел исследование трения на горизонтальной и наклонной плоскости, а также износа подшипников скольжения. Отсюда были выведены первый и второй законы трения Леонардо да Винчи.

В 1490 году Леонардо да Винчи удалось почти полностью заменить у подшипника качения подвижное соединение между двумя частями за счет снижения трения качения. Для этого он использовал шары.

Он пришел к выводу, что если шары не соприкасаются, трение снижается. Поэтому он разработал разделительные элементы, чтобы шары могли свободно перемещаться.

Tribologie - 1452-1519 Leonardo da Vinci

Рисунки опыта Леонардо да Винчи из области трибологии на тему трения.

Трибология — с 15-го по 16-й вв.

Начало развития трибологии как науки пришлось на эпоху Ренессанса. Однако получение фундаментальных знаний о трении и износе не привело к разработке смазочных материалов.

Трибология — 1663–1705 гг., Гийом Амонтон

французский физик и из Лилля.


Проводя исследования в области смешанного трения, он обнаружил, что сила трения зависит от нормальной силы, и причиной трения должна считаться шероховатость поверхности.
Амонтон свел понятие трения к механико-геометрическим причинам, а именно — к «зацеплению» неровностей. Теория зацепления гласит: геометрическое замыкание микровозвышений тормозит относительное движение и вызывает движение, направление которого противоположно направлению силы трения. Амонтон определил коэффициент трения как f = 1/3.


Два закона Амонтона составляют основу эмпирического понимания трибологии (закона о трении). Оба закона трибологии были вновь открыты и в 1699 г. представлены Французской академии наук в Париже. Фактически же их впервые сформулировал Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.) примерно за двести лет до этого события.

Они гласят, что сила трения пропорциональна нормальной силе и не зависит от площади вероятного соприкосновения. Кроме того, нужно иметь в виду, что сила трения зависит не только от сцепления, но и от абразивного действия. Влияние абразивного действия особенно велико, если шероховатые контактные поверхности состоят из более твердого материала или если абразивная поверхность представлена в виде твердых частиц окисленного металла.

Трибология — 1683–1744 гг., Джон Теофил Дезагюлье

естествоиспытатель, родившийся во Франции.


Дезагюлье разработал модель описания трения и объяснил возникновение трения влиянием когезии и адгезии Дезагюлье вывел новый аспект науки: он установил, что на более полированной поверхности возникает более высокая сила трения, и показал, что два хорошо отполированных и плотно сжатых свинцовых тела могут быть отделены друг от друга только в результате приложения поразительно большой силы: таким образом ему открылась вся важность адгезии и когезии для процесса трения. Однако он еще не мог привести свою идею в соответствие с количественными законами трибологии о трении.

Трибология — 1687 г., сэр Исаак Ньютон

Именно Ньютон сформулировал понятие вязкости.


Теория адгезии, или предположение о молекулярно-механической природе трения, появилась в то время, когда НЬЮТОН (1687 г.) дал определение материальной характеристике динамической вязкости. Это определение легло в основу представлений о молекулярно-механической природе трения.

Трибология — 1707–1783 гг., Леонард Эйлер

Эйлер занимался исследованием трения на наклонных плоскостях и установил, что трение покоя примерно в два раза выше, чем трение скольжения. Кроме того, он ввел в употребление коэффициент трения «µ» (в трибологии он теперь называется «коэффициент трения F»).

Трибология — 1736–1806 гг., Шарль Огюстен де Кулон

Де Кулон развил фундаментальные идеи Амонтона в отношении шероховатости поверхности и смешанного трения и занимался взаимозависимостями между горизонтальным усилием и весовой долей. Оба эти аспекта являются важнейшими в трибологии.


Согласно разработанной де Кулоном модели, коэффициент трения такой поверхности не зависит от нагрузки, т.е. сила трения пропорциональна весу. Кроме того, сила трения зависит от поверхности, так как она является функцией среднего угла наклона шероховатостей. Чем более гладкой является поверхность, тем меньше должен быть коэффициент трения; этот вывод соответствовал представлениям того времени и способствовал признанию разработанной де Кулоном модели. Однако модель де Кулона имела один существенный недочет: она не учитывала компоненты рассеяния. Энергия, образующаяся при выталкивании наклонных плоскостей, должна образоваться снова, когда наклонные плоскости будут скользить вниз с другой стороны; таким образом, по де Кулону трение скольжения не является процессом потребления энергии трибологии .

Charles Augustin Coulomb

Модель шероховатости для трения по де Кулону. Нормальная сила FN распределяется по возвышениям с одинаковым углом наклона.

Трибология — 1794 г., Филип Воган

Первый известный патент на радиальный шарикоподшипник принадлежал Филипу Вогану (Англия).

Литейщик из Кармартена Филип Воган († 1824 г., Кидвелли) в 1791 г. изобрел шариковый подшипник и в 1794 году запатентовал его.

Трибология — 18-й век

Механизм роликового подшипника или подшипника качения был заново изобретен в 18-м веке: в то время в Англии конные экипажи были оснащены осью с шаровой опорой в полукруглых пазах, расположенных вдоль этой оси.

Трибология — 1750–1850 гг.

Теперь, чтобы сделать прогрессивные шаги в направлении разработки смазочных материалов в сфере трибологии , надо было дождаться наступления промышленной революции. Такие шаги предполагали знание механики жидкостей и вязкостного течения, наличие растущего спроса на промышленный выпуск смазочных материалов надлежащего объема и качества, а также стремительное вытеснение растительных и животных масел минеральными; последние получались путем перегонки и очистки нефти, сланцев и угля.

Трибология — 1802 г., М. Кардине

Запатентованные конические роликоподшипники М. Кардине, Франция.


Эти подшипники способны выдерживать очень высокие нагрузки как в радиальном, так и в осевом направлениях. Как правило, они устанавливаются попарно: два подшипника монтируются друг напротив друга, так как подшипник состоит из двух свободных компонентов: внутреннего кольца с телами качения и наружного кольца, служащего корпусом подшипника.

Эти тела качения на внутреннем кольце имеют форму усеченного конуса и слегка наклонены к оси вала. Величину зазора можно регулировать. Оси конуса внутреннего и внешнего колец, а также конические ролики встречаются в точке на оси вращения, т.к. только в этом случае конические ролики могут перемещаться без скольжения.

Трибология — 1859 г., Э.Л. Дрейк

Первое бурение в Тайтусвилле.

Трибология — 19-й век

Настоящий «прорыв» в области смазочных компонентов произошел в 19-м веке, в ходе индустриализации. Для этого периода был характерен высокий спрос на промышленно поставляемые подшипники, которые использовались в качестве конструктивных узлов. Основные элементы подшипников качения — два кольца, движущихся относительно друг друга: внутреннего и внешнего, которые разделены телами качения. В большинстве случаев тела качения находятся в сепараторе, который удерживает их на одинаковом расстоянии друг от друга и предотвращает их соприкосновение.

Трибология — 1850–1925 гг.

Период с 1850 по 1925 гг. известен как период «технического прогресса». Железнодорожные перевозки находятся в центре общественного внимания; для смазки подшипников и направляющих вместо консистентных смазок (применявшихся до синтетических смазочных материалов) используют текучие смазочные материалы. Именно в этот период были сделаны важные открытия, которые легли в основу современной трибологии . Возросшим требованиям теперь противостоит почти неограниченное количество недорогого смазочного материала — смазочного масла на основе минерального масла, широкий качественный диапазон которого делает возможным его использование практически во всех отраслях трибологии.

Трибология — начиная с 1925 г.

Эпоха трибологии берет свое начало в годы после Первой мировой войны. Сильные нагрузки, скорость и температура предъявляют к паре трения более высокие требования. Пределы физических свойств смазочных материалов должны были быть адаптированы к более жестким условиям.


Если первые шаги технологического развития и разработки добавок датируются 19-м веком, то современные концепции этих присадок к смазочным материалам появились лишь в 30-х годах прошлого столетия. В этот период появились: присадки для повышения индекса вязкости, депрессорные присадки, ингибиторы коррозии и окисления и т.д. — целая палитра защитных средств. Параллельно с этим началась разработка синтетических смазочных материалов, необходимость в которых была вызвана чрезвычайно жесткими требованиями работы в условиях высоких и экстремально высоких температур. Несмотря на большое значение синтетических смазочных материалов, их доля в трибологии составляет лишь около пяти процентов от объема традиционных смазочных материалов. По окончанию Второй мировой войны на службе у человечества появилась исключительная смазка для исключительных условий — твердый дисульфид молибдена (MoS2), — идеально подходящая для освоения космического пространства.

Трибология — 1966 г.

Термин «трибология» впервые появился в 1966 году в связи с отчетом по исследованию Jost, одному из финансируемых британским правительством исследований повреждений, возникающих вследствие износа. Этот отчет и по сей день упоминается и используется в контексте трения, износа и смазки.

Трибология — наши дни

За последние десятилетия произошел резкий скачок требований к трибологии в части смазочных масел : для обеспечения надежности смазки активно применяются синтетические смазочные вещества, которые в основном изготавливаются из нефти, но имеют перспективу стать полностью синтетическими. Синтетические смазочные масла отличаются высокой термической стабильностью, низкими коэффициентами трения, хорошими свойствами смачивания поверхности металла, низкой склонностью к выпариванию и огнестойкостью.


«Близкими родственниками» смазочных масел являются консистентные смазки.


Консистентные смазки заменяют собой масла в тех случаях, когда требуется обработать большое количество точек смазки, так как масло может протечь. Консистентные смазки представляют собой загущенные смазочные масла; в качестве загустителя используется, в частности, литиевое, кальциевое и алюминиевое мыло, а также неорганические средства затвердевания (например, бентонит).

Первостепенное значение имеет область применения смазочных материалов, потому что «без смазки ничего не будет работать».