Зарождение и развитие научных основ борьбы с трением в механизмах

Размещено на http://allbest.ru

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Зарождение и развитие научных основ борьбы с трением в механизмах

Пучков Павел Владимирович,

кандидат наук, преподаватель

В данной статье пойдет речь о этапах создания смазочных материалов и зарождении основ науки о трении - трибологии. Также в статье пойдет речь о эволюции подшипников скольжения и качения.

Трибология -- это образ мышления и интеллектуальный подход к гибкой кооперации специалистов в различных областях науки и техники. Это -- решение задачи огромного экономического значения -- повышения надёжности технических устройств, от космических кораблей до бытовых приборов. (Г. Соломон)

Трудно назвать другое столь распространенное в повседневной жизни явление, как трение. Оно сопровождает любые движения физических тел и накладывает отпечаток на характер этих движений.

Надежность и долговечность пожарной и аварийно-спасательной техники во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в различных узлах автомобилей. Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Возникают заклинивания, удары, вибрации, приводящие к поломкам.

Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горюче-смазочных материалов. Положительная роль трения необходима для обеспечения работы тормозов, дисков сцепления, а также хорошего сцепления колес техники с дорожным покрытием. Основные детали узлов машин, радиальных подшипников, роликоподшипников, зубчатых передач, были известны уже в доисторическую эпоху до 3500 года до н.э.

В течение нескольких тысячелетий элементы машин усовершенствовались и видоизменялись, но не во все времена наблюдался заметный прогресс в этой области науки.

Только в начале эпохи Возрождения был замечен стремительный прогресс, когда были открыты основные законы и написаны основные постулаты в области трения.

История трибологии неизбежно связана с историей нефти, несмотря на тот факт, что смазочные материалы, изготовленные из нефти, начали играть важную роль не ранее, чем 200 лет назад. Историки предполагают, что битум был первым нефтяным продуктом, нашедшим применение в технике.

В доисторической эпохе (до 3500 года до н.э.), также известной как "Каменный век" трибологические элементы, возможно, ограничивались примитивными полостями в камне или дереве. Очевидно, что сопротивление движению было уже известно в то время, к примеру, трение между двумя кусочками дерева использовалось для получения огня. А вот, вероятно, битум в те времена мог использоваться в качестве смазки, чтобы избежать скрипа в движущихся контактах.

Само развитие тепла при трении является, пожалуй, одним из самых древних физических открытий, использованных ещё доисторическим человеком для добывания огня.

По этому поводу Энгельс пишет: «Практическое открытие превращения механического движения в теплоту так старо, что от него можно было бы считать начало человеческой истории. Какие бы достижения ни предшествовали этому открытию огня -- в виде изобретения орудий и приучения животных, -- но, только научившись добывать огонь с помощью трения, люди впервые заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы».

До наших дней сохранилось несколько изображений (рисунков) первых конструкций подшипников скольжения, датированных эпохой ранней цивилизации (после 3500 года до н.э.). На рис. 1 изображен каменный карман для установки в него нижней оси двери храма (Ассирия, приблизительно 2500 лет до н.э.), выполнявший роль подшипника.

Рисунок 1. Каменный карман для вращения оси двери

Из изображения, представленном на рис.2., можно увидеть транспортировку Египетского каменного колосса, которая производилась с использованием деревянных салазок, доказывающих первое применение смазочного материала в трибологических целях (Египет, примерно 2400 год до н.э.). Расчет трения доказывает то, что между полозьями салазок и деревянными болванами была применена смазка.

Существуют некоторые предположения относительно типа смазочного материала: вода; грязь (ил) из реки Нил, в который добавляли оливковое масло. трение подшибник смазочный скольжение

Для снижения износа деревянных колес, ободы ошиповывали медными гвоздями (Суза, примерно 2500 год до н.э.) (Рис.3).

Рисунок 2. Фреска «Транспортировка Египетского каменного колосса»

Рисунок 3. Ошипованное деревянное колесо

Греко-римская эпоха (900 г. до н.э. -- 400 н.э.) характеризуется развитием в области радиальных подшипников и зубчатых передач, а также первых конструкций роликовых подшипников. Имеется несколько примеров, показывающих уровень развития узлов трения в то время: деревянные дифференциальные передачи в знаменитой "указывающей на юг" колеснице, изготовленной в Китае, примерно в 255 году до н.э. Железные кольца (втулки) в деревянных рамах, чтобы избежать трения железного вала по дереву и, как следствие, большего износа.

Позднее были разработаны роликовые подшипники для вращающихся платформ на Римских судах на озере Неми (примерно 50 год н.э.). Также до наших дней дошли фрагменты упорного шарикоподшипника (бронзовые шары перекатывались по деревянной платформе) (Рис.4) и фрагменты упорного подшипника с коническими (суживающиеся к концу) роликами (деревянные ролики по деревянной платформе) (Рис.5).

Рисунок 4. Фрагмент упорного шарикоподшипника

Рисунок 5. Фрагмент упорного подшипника с коническими роликами

Ученым этой эпохи было известно, что при определенном сочетании материалов в узлах трения, трение и износ могут быть значительно снижены. Также было известно, что нанесение масляных пленок на поверхности трущихся деталей уменьшает трение. Поэтому при установке поршней в водяные насосы на их поверхности наносились тонкие масляные пленки для облегчения скольжения поршней.

Средневековая эпоха (400 г. н.э. -- 1450 г.) может характеризоваться как период стагнации. Никаких новых достижений в области применения смазочных материалов не произошло. По-прежнему в качестве смазочного материала применялись растительные и животные масла. Также следует отметить, что за этот долгий период не появилось ничего нового в теоретических основах трибологии.

На смену средневековой эпохи пришла Эпоха Возрождения (1450-1600) -это была эра Леонардо да Винчи (1452-1519г.), гениального художника, инженера, архитектора. Эта эпоха характеризуется трудностями в реализации новых теоретических знаний в области трения на практике. Поэтому продолжают применяться примитивные радиальные подшипники в зубчатых передачах механизмов водяных насосов.

Новых смазочных материалов в данный период создано не было, но Леонардо да Винчи обнаружил, что трение может быть уменьшено применением доступных смазочных материалов, таких как растительные масла и животные жиры. Также 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 и т.д.

Применяя эти результаты, он установил преимущества качения перед скольжением, преимущества линейного или точечного контакта перед контактом по площади, а также преимущества обеспечения расстояния между телами качения в подшипниках качения.

В его альбоме были обнаружены эскизы конструкций подшипников: сепаратор роликового подшипника упрощенной формы, эскизы для упорных шариковых подшипников и роликовых подшипников с коническими телами качения, а также эскиз зубчатой передачи для преобразования вертикального движения во вращательные. Эпоху Возрождения сменила эпоха начала промышленной революции (1600-1750 гг.), она охарактеризовалась замечательными достижениями в конструировании подшипников и зубчатых передач.

Проблемы, стоящие перед трибологией, необычайно широки, и практически бесконечный перечень применений показывает важность этой опирающейся на различные области знаний сравнительно новой технической науки.

Список литературы

1. В. Болховитинов, А. Буянов, В. Захарченко, Г. Остроумов. Рассказы из истории русской науки и техники. Под. общ. ред. В. Орлова. Издательство ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия». Москва . 1957.

2. Большая Советская Энциклопедия. Том 17. Изд. 2-ое. Гос. науч. Издательство «Большая Советская Энциклопедия». 1952.

3. Б.В. Дерягин. Что такое трение. Издание 2-ое перераб. и доп. Издательство академии наук СССР. Москва, 1963. - 230с.

4. Киселев В.В. К проблеме улучшения триботехнических свойств смазочных материалов. / Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2006. - Т. 49. - № 12. - С. 115-116.

5. Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Повышение надёжности пожарной техники применением модернизированных смазочных материалов./ Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2010. № 3. С. 24-28.

Размещено на Allbest.ru