| |
l. Trybologia
Trybologia jest nauką o tarciu i procesach towarzyszących tarciu. Nazwa wywodzi się od greckich słów tribos-tarcie, logos-nauka. Trybologia zajmuje się opisem zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych itp.), chemicznych, biologicznych i innych w obszarach tarcia. Trybotechnika zajmuje się omówieniem technicznych zastosowań trybologii.
Zakres trybologii nie ogranicza się tylko do procesów tarcia w maszynach, ale również odnosi się do wszystkich procesów tarcia w przyrodzie i technice.
Do ważnych zjawisk towarzyszących tarciu, a mających duże znaczenie techniczne, należą procesy zużywania materiałów trących oraz smarowanie.
1.1. Zarys trybologii
Trybologia jako nauka została ukształtowana formalnie w roku 1966. Poprzednio poszczególne działy trybologii wchodziły w skład różnych dyscyplin nauki. Tak np. problemy tarcia suchego były działem fizyki, tarcia granicznego - działem fizykochemii, smarowania - działem technologii produktów naftowych, a zużywania - działem technologii maszyn.
Jak stara jest problematyka trybologii, świadczy m.in. i to, że człowiek pierwotny krzesząc ogień wykorzystywał zjawisko zamiany pracy tarcia na ciepło. Przed wynalezieniem koła, transport masy odbywał się na saniach ciągnionych przez ludzi lub zwierzęta, a więc pokonywane były opory tarcia ślizgowego (rys. 1.1).
 |
Rys. 1.1. Transport posągu w starożytnym Egipcie
|
W celu zmniejszenia oporów tarcia, np. podczas transportu ciężkich elementów kamiennych, posągów itp. podkładano pod belki nośne okrągłe kawałki drewna (rys. 1.2). W niektórych przypadkach stosowano smarowanie trących elementów oliwą lub innymi olejami roślinnymi, przez co zmniejszano opory tarcia (rys. 1.3).
 |
Rys. 1.2. Zmniejszanie oporów tarcia podczas transportu posągu przez podkładanie okrągłych belek pod płozy sań
|
 |
Rys. 1.3. Najdawniej utrwalona scena wykorzystywania tarcia wew nią oporów transportu posągu (2400 lat pne)
|
Wynalezienie koła pozwoliło na zasadnicze zmniejszenie oporów tarcia, ponieważ tarcie ślizgowe zostało zastąpione tarciem tocznym (rys. 1.4.)
Pojawił się nowy problem: tarcie w obszarze styku panwi i osi w różnego rodzaju prostych pojazdach, np. rydwany, arby, taczki, oraz w wielu urządzeniach codziennego użytku, np. koła garncarskie, kamienie młyńskie, wiatraki (rys. 1.5 i 1.6). Wszystkie stosowane wtedy łożyska należały do łożysk ślizgowych; łożyska toczne zostały wprowadzone w początku XX wieku.
 |
Rys. 1.4. Wynalezienie koła umożliwiło zastąpienie tarcia ślizgowego tarciem tocznym
|
zmniejszenia tarcia łożyska smarowane były zazwyczaj jednorazowo lub okresowo. Substancja smarująca powinna mieć odpowiednią konsystencję i przyczepność pozwalającą utrzymywanie się jej w miejscu smarowanym przez długi czas. Oleje roślinne ze względu na małą lepkość łatwo ściekały i wymagały zagęszczenia różnymi zagęszczaczami. Miały ponadto zasadniczą wadę - skłonność do wysychania (podobnie jak pokost). Wady tej nie mają tłuszcze zwierzęce i dlatego były używane równocześnie z tłuszczami roślinnymi. Do smarowania osi wozów stosowano również różnego rodzaju mazie otrzymywane ze smoły drzewnej. W okolicach, gdzie występowały powierzchniowe wycieki ropy, mazie otrzymywano w wyniku długotrwałego ogrzewania ropy (,,wygotowywania").
Rys. 1.5. Łożyska stosowane w starożytności:
- łożysko z Jeryho (2000 lat pne),
- łożysko do osadzania drzwi z okresu sumeryjskiego (2500 lat pne)
|
Rys. 1.6. Ułożyskowanie osi kół w średniowiecznym mechanizmie wyciągowym
|
Wyniki badań archeologicznych wykazały, że w starożytnych grobowcach były rydwany władców z zachowanymi na osiach resztkami smaru. Analiza wykazała istnienie tłuszczów zwierzęcych z mineralnymi zagęszczaczami (punkt topnienia ok. 50°C). Pliniusz Starszy (23 do 73 rok naszej ery) podaje listę różnych olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych stosowanych do smarowania. Te środki smarne dominowały niepodzielnie aż do wynalezienia maszyny parowej. Dość powszechne zastosowanie olejów mineralnych zaznacza się od pierwszych lat naszego stulecia. Oleje syntetyczne pojawiają się pod koniec lat trzydziestych.
Początkowo stosowano smarowanie jednorazowe lub okresowe, a następnie wprowadzono smarowanie za pomocą kąpieli olejowych, pierścieni smarujących itp. Niektóre łożyska ślizgowe przedstawiono na rys. 1.7.
Wraz z praktycznymi rozwiązaniami z zakresu tarcia i smarowania pojawiły się opracowania naukowe (np. Amontos - 1699 r.). W drugiej połowie XIX w. istnieje już dość bogate piśmiennictwo z zakresu tych zagadnień. W pierwszej połowie XX w. pojawiają się pierwsze profesjonalne stowarzyszenia (np. Amerykańskie Towarzystwo Inżynierów Smarowników-American Society of Lubricating Enginners - rok założenia 1944). Równocześnie duże zespoły pracowników nauki zaczynają pracować nad problemami tarcia i zużycia.
Nazwa trybologia została wprowadzona po raz pierwszy przez grupę ekspertów brytyjskich w raporcie dla Parlamentu o stanie techniki smarowniczej.
 |
Rys. 1.7. Starszego typu konstrukcje łożysk ślizgowych:
- z ruchomym pierścieniem smarującym,
- ze stałym pierścieniem smarującym,
- z pierścieniem zgarniającym
|
 | |
Rys. 1.8. Oszczędności wynikające z wprowadzenia racjonalnej gospodarki smarowniczej w Wielkiej Brytanii (wg Josta)
|
W roku 1964 ówczesny minister Szkolnictwa i Nauki, lord Bowden, uznał za konieczne przeanalizowanie stanu techniki, szkolnictwa i badań w zakresie smarowania maszyn w Wielkiej Brytanii. Została powołana grupa robocza specjalistów pod przewodnictwem H. P. Josta. Wyniki jej prac zostały ogłoszone w marcu 1966 r. w formie sprawozdania, w którym po raz pierwszy w historii oceniono wpływ smarowania na gospodarkę narodową.
Szacunkowe oszczędności, jakie można by uzyskać przez ulepszenie gospodarki smarowniczej w Wielkiej Brytanii zostały ocenione na 515 min funtów/rok (7). Źródła tych oszczędności przedstawiono na rys. 1.8. Stwierdzono również, że przyczyną tak dużych strat jest niski poziom wiedzy teoretycznej i praktycznej oraz brak specjalistów. Zaproponowano zorganizowanie nauczania trybologii na wszystkich szczeblach, definiując te dyscypliny jako „naukę i technikę dotyczącą powierzchni smarowanych, nawzajem na siebie działających, znajdujących się względem siebie w ruchu oraz związane z tym zagadnienia praktyczne".
Określono, że do zagadnień, którymi zajmuje się trybologia należą:
- fizyka, chemia i metaloznawstwo działających na siebie nawzajem obszarów tarcia, znajdujących się w ruchu względnym,
- smarowanie płynne, np. hydrostatyczne, hydrodynamiczne, aerostatyczne i aerodynamiczne,
- tarcie mieszane ciał stałych,
- smarowanie w specjalnych warunkach, np. przy obróbce plastycznej, wiórowej itp.,
- badanie zjawisk w mikroobszarach tarcia smarowanych powierzchni elementów maszyn,
- własności i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia,
- własności i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych, gazowych i stałych,
- badania nad zastosowaniem substancji smarujących do maszyn,
- przechowywanie, wydawanie i zastosowanie materiałów smarnych.
Grupa robocza postulowała oprócz rozwiązania problemów szkolenia, powołanie specjalnych instytutów zajmujących się badaniami trybologicznymi. Zalecono również zmianę statusu techników i inżynierów smarowników (wyższe grupy zakwalifikowania, lepsze uposażenie) i wprowadzenie nazwy trybolog, co uzasadniono tym, że „smarownik" jest nazwą zdeprecjonowaną społecznie i kojarzącą się z człowiekiem w wytłuszczonym ubraniu ochronnym z oliwiarką w ręku.
Opracowany w Polsce raport o stanie eksploatacji pojazdów i maszyn w gospodarce narodowej w roku 1974 ujmował między innymi również analizę wpływu trybologii na efektywność gospodarczą naszego kraju. Jeden z dwunastu opracowanych raportów branżowych oceniał gospodarkę paliwowo-smarowniczą w Polsce.
Zagadnienie to, opracowywane w grupie roboczej kierowanej przez Andrzeja Wachala, przedstawia wyniki obszernej analizy dotyczącej:
- ilości różnorodnych substancji smarujących stosowanych w krajowej gospodarce maszyn (wykazano brak celowości stosowania tylu gatunków substancji smarujących);
- metod doboru substancji smarującej do smarowania poszczególnych elementów maszyn i pojazdów (stwierdzono konieczność normalizacji metod doboru substancji);
- oceny wpływu starzenia substancji smarującej na trwałość maszyn (stwierdzono, że okresy wymiany, głównie oleju przekładniowego i silnikowego, są ustalane zwyczajowo bez technicznego uzasadnienia);
- oceny tematyki prac naukowo-badawczych trybologii realizowanych w poszczególnych ośrodkach (stwierdzono, że tematyka badań jest dość przypadkowa bez centralnego koordynowania tematycznego, a w pracach nie jest podejmowana poważniejsza tematyka trybologiczna);
- oceny wyposażenia w aparaturę poszczególnych ośrodków (stwierdzono, że stan wyposażenia laboratoriów jest średni, wymaga dalszego intensyfikowania i unowocześniania bazy badawczej);
- oceny poziomu formalnego i faktycznego kadry naukowej (należy głównie skupiać uwagę na kształceniu młodej kadry, głównie w instytutach branżowych);
- oceny sytuacji aplikacji krajowych rozwiązań naukowo-technologicznych (stwierdzono, że w tym zakresie stan naszej działalności jest niezadowalający - podjęto również próbę zdefiniowania zakresu trybologii-zdefiniowano trybologię jako naukę o tarciu i procesach towarzyszących tarciu).
1.2. Znaczenie trybologii
Opory tarcia według szacunkowych obliczeń specjalistów pochłaniają w skali światowej 30-50% produkowanej w ciągu roku energii. Jeżeli dodamy do tego setki tysięcy maszyn eliminowanych corocznie z eksploatacji wskutek zużycia, a ponadto zużycie odzieży, obuwia itp., to wyobrażenie o znaczeniu trybologii jako nauki będzie pełniejsze. Dlatego też obecnie dużo uwagi poświęca się szkoleniu trybologów na wszystkich szczeblach, rozwijaniu piśmiennictwa z tego zakresu oraz tworzeniu badawczych centrów trybologicznych.
|
