Леонардо да Винчи (1452-1519),

Рис.1.11

Талантливый человек во всем талантлив, но лишь немногие гении были гениальны во всем, что бы они ни делали, и, пожалуй, за всю историю человечества только один человек - Леонардо да Винчи заслуживает звания абсолютно универсального гения. Как художник, скульптор и инженер он превосходил своих современников. Как ученый он обогнал свою эпоху на века. Среди бесчисленных научных достижений и первая формулировка законов трения. Он ещё в 1519 утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижима), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта.

Эта эпоха характеризуется трудностями в реализации новых теоретических знаний на практике. Некоторые примеры такой ситуации:

Примитивные радиальные подшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов (примерно 1500 год) (Рис.1.12).

Рис.1.12

Но некоторый прогресс может быть отмечен: часовой механизм собора в Юберлингене (1549) (Рис.1.13).

Рис.1.13

Новых смазочных материалов не создавалось, но Леонардо да Винчи обнаружил, что трение может быть уменьшено применением доступных растительных и животных масел. Сначала смазывание было разовым или периодическим, потом появились масляные ванны для смазывающие колец.

Леонардо да Винчи занимался многими вопросами деталей машин, трения и износа. В процессе своих исследований он обнаружил, что существует соотношение между нагрузкой и силой трения. Он также определили первые законы сухого трения, суть которых в следующем:

·        Сила трения прямо пропорциональна нагрузке.

·        Сила трения не зависит от видимой (номинальной) площади контакта.

·        Сила трения не зависит от скорости скольжения.

Применяя эти результаты он установил:

·        Преимущества качения перед скольжением.

·        Преимущества линейного/точечного контакта перед контактом по площади.

·        Преимущества обеспечения расстояния между телами качения в подшипниках качения.

В его альбоме мы находим примеры:

Упрощенной формы сепаратора роликового подшипника (Рис.1.14).

Рис.1.14

Эскизы для упорных шариковых подшипников и роликовых подшипников с коническими телами качения.

Эскиз зубчатой передачи для преобразования вертикального движения во вращательные (Рис.1.15).

Рис.1.15

Вместе с практическими решениями, касающимися трения, появились первые научные работы по трибологии. Первые научные рассуждения на тему трения твердых тел обнаружены в записях Леонардо да Винчи, датируемых второй половиной XV в., в них много правильных утверждений, подкрепленных расчетами, например, указано на пропорциональность сопротивления трения нагрузке на трущиеся поверхности тел и на то, что тела с шероховатой поверхностью имеют большее сопротивление трения. Таким образом, закон, согласно которому сила трения прямо пропорциональна нагрузке был открыт Леонардо да Винчи, считавшим, что коэффициент трения обычно равен 0,25.

Работы Леонардо да Винчи были забыты, и трением снова стали интересоваться в рамках развития других наук спустя почти два столетия. И. Ньютон сформулировал закон, определяющий зависимость между сопротивлением внутреннего трения жидкости и силой, необходимой для преодоления этого сопротивления.

1.6. Эпоха начала промышленной революции (1600-1750 гг.)

Этот период охарактеризовался замечательными достижениями в конструировании подшипников и зубчатых передач. Примеры этого следующие:

Определение эвольвенты зубчатого колеса и геометрических принципов зубчатых зацеплений Хьюгенсом (1665), де ла Найэром (1694) и Леопольдом.

Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками (17 век) (Рис.1.16).

Рис.1.16

Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипиковыми блоками для компенсации износа (Плюмис, 1701 год) (Рис.1.17).

Рис.1.17

Однако все еще находили некоторое применение деревянные зубчатые передачи.

Новые смазочные материалы не разрабатывались, однако применение известных становится все более важным.

В китайских публикациях за 1637 год мы можем прочесть что "одна капля масла в подшипник делает повозку, а тысяча капель - корабль, готовым к эксплуатации".

Многие исследователи осознали, что свиной жир (Амонтон, де ла Найар) и растительные масла могут использоваться как смазочные материалы.

Все больше и больше ученых вовлекаются в разработку теорий трения и изнашивания. Вот некоторые примеры:

·        Роберт Хук (1680): Закономерности трения качения;

·        Исаак Ньютон (1687): определяет вязкость как меру внутреннего трения жидкостей: вязкость = напряжение сдвига / скорость света.

·        Гильом Амонтон (1699): подтвердил законы трения Леонардо да Винчи;

·        Леонард Эйлер (1750): аналитическое определение трения; обозначил коэффициент трения символом m.

1.7. Период технической революции (1750-1850 гг.).

Опять этот период характеризуется улучшением в понимании функционирования элементов и деталей машин, что и привело к более совершенным их конструкциям, это эра Джеймса Ватта.

Примеры зубчатых зацеплений:

Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла (1758) (Рис.1.18).

Рис.1.18

Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом (1781) (Рис.1.19).

Рис.1.19

Примеры радиальных подшипников:

Предложение конструкции радиальных подшипников для осей экипажа, сделанные Фелтоу (1794) (Рис.1.20).

Рис.1.20

"Высокотехнологичный" подшипник колеса железнодорожного вагона (1830) (Рис.1.21).

Рис.1.21

Примеры роликовых подшипников:

Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии (1770) (Рис.1.22).

Рис.1.22

Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора (Патент Вогана, 1794) (Рис.1.23).

Рис.1.23

В этот период для применения были доступны несколько видов животных, растительных и минеральных масел, также как и твердых смазочных материалов. Было выдано несколько патентов на смазочные композиции (формула смазочного материала). Примеры следующие:

·        1812 год, Британский патент 3573 (Генри Томас Хардакр): Смесь графита и свиного жира (1:4) для получения пластичного смазочного материала;

·        1835 год, Британский патент 6945 (Натаниэль Партридж): Смесь оливкового масла и извести, растворенная в воде. Для повышения эксплуатационных характеристик необходимо добавлять пальмовое масло, жир или графит;

·        1848 год, Британский патент 12109 (Джозеф Джон Долан) :Состав смазочного материала с высокими эксплуатационными характеристиками

Снова развитие фундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризовано перечислением выдающихся ученых того времени и их достижений:

·        Шарль Августин Кулон (1785): подтверждение законов трения Л. Да Винчи и Амонтона.

·        Джордж Рени (1825): измерение трения и износа; первый список коэффициентов трения для различных материалов; зависимость износа от смазки.

·        Шарль Хатчет (1803): зависимость износа от материала.

·        Клод Луи Навье (1822): определение и использование слова "вязкость".

·        Джордж Габриэль Стокс (1845): определение совместно с Навье уравнений движения, ставших позднее основой гидродинамической теории.

1.8. 75 лет технического прогресса (1850-1925 гг.).

Тогда как все еще довольно примитивные конструкции применялись для подшипников и зубчатых передач, а также выбор материалов был очень простым, некоторые значительные усовершенствования могли быть отмечены:

Смазываемый водой радиальный подшипник для буксы, сконструированный Артсом (1860) (Рис.1.24).

Рис.1.24

Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом, основателем СКФ. Шарикоподшипник с саморегулируемым угловым контактом (Рис.1.25).

Рис.1.25

Зубчатая передача для первого электрического локомотива, сконструированная Сименсом (1879) (Рис.1.26).

Рис.1.26

Ведущая шестерня главной передачи для автомобиля (1902) (Рис.1.27).

Рис.1.27

В области смазочных материалов были сделаны следующие достижения:

Растительные и животные масла интенсивно вытеснялись минеральными маслами.

Наиболее характерными для практического применения были следующие смазочные масла, полученные дистилляцией (перегонкой) и очисткой (1916): легкое и тяжелое веретённое масло; компрессорное масло; легкие и тяжелые машинные масла; очищенные цилиндровые масла.

Первые присадки в масло: диспергированный графит, эмульгаторы; компоненты, повышающие вязкость.

Известные ученые, инженеры и трибологи исследовали соотношение между трением, износом и смазкой, особенно применительно к радиальным подшипникам. Наиболее важное открытие было сделано Б. Тауэром в 1885 г., который обнаружил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Это открытие привело к успехам в конструировании и эксплуатации подшипников.

Вот ряд знаменитых имен:

·        Густав Адольф Гирн (примерно 1880 год): подтвердил законы трения Л. да Винчи, Амонтона и Кулона.

·        Генрих Рудольф Гер (1881): физические законы трения качения.

·        Бишам Тауэр (1883): определил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Интеграл гидродинамического давления в окружном и осевом направлении равен средней нагрузке подшипника.

·        Николай Павлович Петров (1883): законы трения концентрических радиальных подшипников.

·        Осборн Рейнольдс (1885): математическая разработка гидродинамических эффектов. Уравнение Рейнольдса для гидродинамического давления - основа для расчета подшипников.

·        Ричард Штрибек (1902): измерение трения / подтвердил наличие гидродинамических эффектов. Кривая Штрибека: соотношение между трением, нагрузкой, скоростью и вязкостью.

·        Йоаганн Вильгельм Зоммерфельд (1904): предложил аналитическое решение уравнения Рейнольдса. Ввел число Зоммерфельда.

1.9. Эпоха трибологии - с 1925 года по настоящее время.

Этот период времени будет освещен очень кратко. Если попытаться оценить все важнейшие достижения за этот период времени, то объем материала выйдет за рамки, отведенные под исторический анализ развития науки о трении и изнашивании. Особенно внушительны достижения в области машиностроения (конструирование узлов трения) и они требуют отдельной главы или статьи.

Подшипники и зубчатые передачи получили дальнейшее развитие путем внедрения теоретических разработок в практику. Этот процесс происходил на основе оптимизации узлов трения, выбора материалов, обработки поверхностей и смазки. Как следствие, возросли ресурс и межремонтные периоды эксплуатации механизмов и оборудования.

Для этого периода характерны следующие особенности:

·        Разработка и применение присадок;

·        Улучшение базовых масел минеральной природы с помощью новых производственных технологий;

·        Распространение (появление) синтетических базовых масел.

·        Создание смазочных материалов с высокими техническими характеристиками для эксплуатации в условиях высоких и низких температур, высоких нагрузок.

Необходимо выделить четыре основных момента для характеристики этого аспекта трибологии:

• Приближенные решения уравнения Рейнольдса (например, Мишель Освирк Ду Бойс, Кингсбери, Камерон, Сасенфельд/Вальтер).
• Применение этого решения к узлам трения, работающим в условиях гидродинамической смазки. Гидродинамические подшипники превратились в рассчитываемые узлы машин.
• Эластогидродинамическое решение уравнения Рейнольдса (например, Дункан Доусон совместно с Хигинсоном).
• Применение эластогидродинамического решения для расчета тяжелонагруженных смазываемых контактов.

В настоящее время трибология признана всеми. Как отдельный предмет она преподается во многих высших и средних учебных заведениях и на курсах повышения квалификации. Созданы специализированные исследовательские центры, во многих институтах прибологические проблемы являются одним из важнейших направлений исследований.

Выпущено большое количество книг по трибологии и триботехнике, выходят специализированные периодические издания. Во многих странах действуют научные трибологические общества. Организуются национальные и международные конгрессы, конференции и симпозиумы.

Огромное значение трибологии и триботехники способствует быстрому их развитию, обучению трибологов всех уровней, росту количества публикаций и созданию исследовательских трибологических центров. 

2. Виды трения.

  С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Но, несмотря на ту большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина возникновения трения, и вопрос этот остается неясным. Это связано даже не с тем, что трение имеет сложную природу, а скорее с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы. Вот пример. Английский физик Гарди исследовал зависимость силы трения между стеклянными пластинками от температуры. Он тщательно обрабатывал пластинки хлорной известью и обмывал их водой, удаляя жиры и загрязнения. Трение увеличивалось с температурой. Опыт был повторен много раз, и каждый раз получались примерно одни и те же результаты. Но однажды, промывая пластинки, Гарди протер их пальцами. Трение перестало зависеть от температуры. Протерев пластинки, Гарди, как он сам считает, удалил с них очень тонкий слой стекла, изменивший свои свойства из-за взаимодействия с хлоркой и водой.

Когда говорят о трении, возникающем при соприкосновении поверхностей твердых тел, выделяют три вида сопротивления по взаимному перемещению тел:

·        сопротивление, которое может возникнуть, когда тела неподвижны друг относительности друга – трение покоя;

·        сопротивление, возникающее, когда одно тело скользит по поверхности другого, - трение скольжения.

·        сопротивление, возникающее, когда одно тело катится по поверхности другого - трение качения.

При этом различают три несколько отличных физических явления:

·        сухое трение - возникает при соприкосновении поверхностей двух очищенных и высушенных твердых тел, находящихся в естественном контакте друг с другом. Под «естественным контактом» понимается непосредственное и тесное соприкосновение тел, возможное при минимальной загрязненности их поверхностей;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8