Tribologija je znanost o habanju, trenju i podmazivanju i obuhvaća kako se interaktivne površine i drugi tribo-elementi ponašaju u relativnom kretanju u prirodnim i umjetnim sistemima. To uključuje dizajn i podmazivanje ležajeva.
Tribologija nije izolirana znanost, već je složen, multidisciplinaran poduhvat u kojem se napreduje zajedničkim naporima istraživača iz područja, uključujući mašinstvo, proizvodnju, nauku o materijalima i inženjerstvo, hemiju i hemijsko inženjerstvo, fiziku, matematiku, biomedicinske nauke i inženjerstvo, informatika i još mnogo toga.
KOJI SU OSNOVI TRIBOLOGIJE?
Jedan od najvažnijih stubova tribologije je sistemsko analitičko i sistemsko razmišljanje.
Tribološki sistemi123
Trenje i habanje nisu svojstva materijala. Oni su odgovori na specifični tribološki sistem koji obično uključuje kombinaciju ležajeva, osovine i maziva i kao takvi pod utjecajem širokog spektra faktora. Tribološki podsustav na slici 1. daje pregled uobičajenih faktora koji utječu na vrijednosti trenja i habanja:
Ovaj tribološki sistem sastoji se od kolektivnih ulaznih napona / operativnih ulaza, strukture sistema i funkcionalnih rezultata i rezultata gubitaka. Kolektivni stres uključuje tehničke i fizičke parametre opterećenja, uključujući opterećenje, brzinu klizanja i trajanje, zajedno s uvjetima kretanja i temperature koji naglašavaju sistem- struktura. Struktura sistema određena je profilima svojstava bitnih elemenata, uključujući bazu, suprotno tijelo i ambijent te srednji medij.
1Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Priručnik: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010.
2Theo Mang, Kirsten Bobzin, Thorsten Bartels: Industrijska tribologija: Tribosistemi, trenje, habanje i površinsko inženjerstvo, podmazivanje, Wiley-VCH, 2011.
3Theo Mang i suradnici: Enciklopedija maziva i podmazivanja, Springer Verlag, 2014
KOJI SU PRIMARNI IZAZOVI TRIBOLOGSKI SUKOB?
Najveći izazov je što se vrijednosti trenja i habanja ne mogu lako prenijeti s jednog sustava na drugi, npr. Sa tribološkog ispitnog uređaja na stvarnu primjenu. Usporedbe izmjerenih vrijednosti izvedive su samo kada se temelje na vrlo sličnom tribološkom sistemu. Tribološko ponašanje materijala može se procijeniti za specifične primjene na osnovu modeliranja i simulacijskog ispitivanja pod uvjetom da su specifični radni uvjeti primjene i ispitnog okruženja jednaki.
TRENJE I OBLAČENJE (1) (2) (3)
Šta je trenje?
Trenjeje sila otpora kretanju dvaju tijela u dodiru. Trenje se na makroskopskom nivou može opisati osnovnim zakonima trenja fizičara Guillaume Amontonsa i Charles-Augustina de Coulomba. Ovi su fizičari pronašli linearni odnos između rezultirajuće sile trenja i primijenjenog normalnog opterećenja. Na temelju toga može se izvesti bezdimenzionalni glavni parametar, nazvan koeficijent trenja. Određuje se odnosom rezultirajuće sile trenja i primijenjene normalne sile.
Međutim, stvarni mehanizam trenja klizanja javlja se na mikroskopskoj razini, što znači da tribološke teorije trenja također uključuju topografiju površina. Tribolog razlikuje stvarnu kontaktnu površinu od nominalne kontaktne površine (geometrijske dimenzije), koja uzima u obzir sve praznine ili dijelove čvrstog elementa koji se ne dodiruju. Mehanizmi odgovorni za proces transformacije energije u bliskoj površini uključuju:
Šta se nosi?
Wear se definira kao nepovratan gubitak materijala na površinama koje međusobno djeluju. Fizički i kemijski osnovni procesi u području dodira kliznog parova koji dovode do promjene materijala i oblika trenih partnera poznati su kao mehanizmi habanja. Ovi mehanizmi trošenja uključuju:
Na mehanizme trenja i habanja snažno utječe struktura tribološkog sistema kao i inducirani kolektivni stres:
µ=f (tribo-struktura (t), inducirano kolektivno naprezanje (t))
w=f (tribo-struktura (t), inducirano kolektivno naprezanje (t))
Mehanizmi trenja i habanja ne javljaju se izolirano, već superpozicijom mehanizama čiji je izazov kvantificirati i kontrolirati. Ova superpozicija se javlja u tribotehničkim sistemima u proporcijama koje se ne mogu detektirati i proporcijama koje se razlikuju u vremenu i mjestu, čineći gotovo nemogućim izračunavanje procesa trenja i habanja u tribo kontaktu. Zbog toga su tribološki testovi toliko presudni za procjenu tribološkog ponašanja. Ako želimo interpretirati i razumjeti tribološki izmjerene podatke i istraživanje orijentirano na mehanizme, potrebno nam je potpuno znanje o mehanizmima djelovanja u tribo-kontaktu.
Tribolozi klasificiraju uvjete trenja, habanja i podmazivanja prema sljedećim rasporedima:
Režim trenja 0:Čvrsto trenje: Trenje se stvara između direktnog dodirivanja čvrstih površina bez maziva.
Režim trenja I:Granično trenje: Čvrsto trenje, kod kojeg su površine partnera za trenje prekrivene molekularnim filmom maziva koji nema nosivost. Mazivo ima utjecaj na karakteristike trenja i habanja.
Režim trenja II:Mješovito trenje: Režim trenja I i III postoje istovremeno. Vrijednost trenja kombinacija je čvrstog i hidrodinamičkog trenja. Tekući film koji stvara mazivo ima nosivost.
Režim trenja III:Hidrodinamičko trenje: Vrijednost trenja određuje se smicanjem u fluidu. Nosivost filma fluida sprečava izravan kontakt između dvije čvrste površine.
Režim nošenja:Visoke stope habanja zbog čvrstog trenja i direktnog kontakta površina.
Režim nošenja b:Niže vrijednosti habanja zbog filma molekularne tečnosti.
Režim nošenja c:Blago trošenje uslijed djelomičnog odvajanja površina kroz deblji fluidni film.
Režim nošenja d:„Nula habanja“, koja nastaje zbog hidrodinamičkih ili elastohidrodinamičnih filmova tečnosti koji sprečavaju direktan kontakt dviju površina.
KAKVE ISHODE MOŽETE OSTVARITI PRIMJENOM TRIBOLOGIJE NA DIZAJN LEŽAJA?
Kako tribologija može dovesti do mjerljivog poboljšanja proizvoda?
Tribološko ispitivanje omogućava nam da dobijemo informacije o tribo performansama materijala za pogon novih i boljih dizajna materijala. Tada možemo ciljati kompozicije materijala kako bismo postigli specifična i bolja tribološka svojstva.
Rezultati triboloških ispitivanja i površinske analitičke metode pomažu nam u procjeni tribo-performansi, uključujući trenje i habanje, mehanizme loma, kinetiku prijenosnih filmova postojećih materijala i novih prototipova na osnovu različitih faktora i utjecaja. Ove informacije pomažu nam da vidimo i razumijemo varijable poput učinaka različitih sastava materijala, uključujući punilo, koncentraciju punila, sinergijske učinke punila, strukturu materijala kao i utjecaj ostalih elemenata njihove strukture sistema.
Kako Tribology poboljšava efikasnost i produžava vijek trajanja materijala koji nose?
Tribološki optimizirane kontaktne površine
Utvrđivanje kritičnih faktora koji utiču na tribo-sistem
Utvrđivanje rješenja za poboljšanje efikasnosti i smanjenje habanja, uključujući:
Upotreba materijala optimiziranih za trenje i habanje.
Optimizacija uparivanja materijala, što dovodi do niskog nivoa trenja i habanja.
Odabir i upotreba ispravnih maziva.
Dolazak do promjena u dizajnu koje imaju blagotvorni utjecaj na ukupne performanse tribo-sistema.
Koji su neki primjeri tehnološkog napretka ležajeva koje su pružila tribološka istraživanja?
Pregled povijesnog napretka u tehnologiji ležajeva pokretanog tribo-istraživanjem, pročitajteovaj članak u magazinu Eureka. Obuhvata rudimentarne valjkaste ležajeve koje su koristili stari Egipćani, kuglične ležajeve koje su koristili Rimljani 40. godine pne., Uloge toplotne obrade očvrslog čelika i keramike na bazi oksida. Takođe pokriva razvoj prvog samopodmazujućeg običnog metalno-polimernog ležaja kompanije GGB.
U kojim je industrijama i aplikacijama tribologija korisna?
Tribologija igra središnju ulogu u aplikacijama u kojima se dvije dodirne površine pomiču jedna u odnosu na drugu. Neke industrije postavljaju veće zahtjeve na tribološke sisteme zbog njihove kritičnosti misije, zahtjeva za kontinuiranim radom ili ekstremnih uslova.
O ČEMU INŽENJER MORA RAZMISLITI PRI PROJEKTIRANJU PROIZVODA ILI EKSPERIMENTIMA TRENJA / NOSENJA?
Ovo jako ovisi o aplikaciji. Neke primjene zahtijevaju malo trenje (npr. Materijali za ležajeve), dok druge zahtijevaju veliko trenje (npr. Kočioni sistemi). Za većinu aplikacija primarni je cilj minimalno trošenje materijala. Za mnoge primjene često se cilja definirano slatko mjesto između niskog nivoa trenja i dobrih performansi habanja.
Prilikom dizajniranja eksperimenata koji opisuju trenje i habanje, tribološka ispitivanja mogu se svrstati u jednu od šest glavnih kategorija, od terenskih ispitivanja u kategoriji I do najjednostavnijih laboratorijskih testova kategorije VI.
Kategorija I:Ispitivanje na terenu provodi se pod normalnim radnim uvjetima, koji mogu uključivati produžene radne uvjete. To rezultira lošom ponovljivošću, ali je blizu stvarnim zahtjevima sa kojima će se suočiti tribološki sistem.
Kategorija II:Eksperimenti se izvode sa kompletnom opremom u biljnom okruženju. Ovi eksperimenti mogu postići rezultate bliske normalnim radnim uvjetima i mogu se izvoditi tokom određenog vremenskog perioda kako bi se ponovili produženi radni uslovi uz ograničavanje uticaja na životnu sredinu.
Kategorija III:Komponente, podsustavi ili sklopovi ispituju se u laboratoriju približavajući se normalnim produženim radnim uvjetima, dajući srednju ponovljivost
Kategorija IV:Laboratorijsko ispitivanje provodi se na serijskim standardnim komponentama pomoću smanjenog aparata za ispitivanje.
Kategorija V:Eksperimenti se izvode na uzorku sa ispitnom opremom kako bi se dobili blizu normalnih radnih uslova sa izvrsnom ponovljivošću.
Kategorija VI: Ispitivanje sa testovima vrši se pomoću jednostavne opreme za laboratorijsko ispitivanje.
Važno je zapamtiti da u kategorijama od I do III sistemska struktura izvornog tribo-agregata ostaje dosljedna, a samo je kolektivni stres pojednostavljen. Kategorije II i III nude više ponovljivih kolektivnih naprezanja od kategorije I. Nasuprot tome, u kategorijama od IV do VI, struktura sistema je pojednostavljena s nedostatkom smanjenja predvidljivosti u prenosljivosti rezultata ispitivanja na uporedive praktične tribotehničke sisteme. Kategorije IV do VI nude bolju metrologiju sub tribo-kontakta, niže troškove i stroži vremenski okvir ispitivanja.1Dakle, uzlaznim redoslijedom kategorija ispitivanja vrijeme ispitivanja, kao i troškovi testa značajno se povećavaju, ali se prenosivost rezultata ispitivanja takođe povećava.
Kako možemo primijeniti kategorije ispitivanja na podtribo-sistemski ležaj?
Tribološka ispitivanja nosećih materijala mogu se podijeliti u četiri glavne kategorije:
Opisi učinka proizvoda, koji bi uključivali kategorije IV i III kako bi se osigurala prenosivost rezultata.
Nadzor proizvodnje / proizvodnje, uključujući kategorije VI do IV, s tim da je kategorija III takođe moguća.
Ispitivanje ležajeva prema kupcima može uključivati kategorije od III do V, imajući na umu da je kategorija V relevantna samo ako se ispitivanje može prilagoditi što je moguće bliže aplikaciji.
Sve se kategorije mogu koristiti za podršku dizajnerima materijala, a niže kategorije u ranim fazama razvoja za predizbor i kategorije s većim brojevima ulaze u obzir kad su dostupne potkomponente i konačni proizvod.
1Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Priručnik: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg + Teubner Verlag, 2010.
ŠTA JE GGB-ov PRISTUP RAZVOJU RASPOLOŽENJA U LEŽAJU KROZ TRIBOLOŠKO VEŠTENJE?
GGB razvija tribološki optimizovane materijale na osnovu triboloških rezultata. Kombinujemo ovo znanje iz nauke o materijalima i performansama sa temeljnim razumijevanjem triboloških performansi naših proizvoda i njihovog usklađivanja sa zahtjevima naših kupaca za primjenom.
KOJA SU NEKA OD GGB-ovih DOSTIGNUĆA U PODRUČJU TRIBOLOGIJE KAO ŠTO SE PRIMJENJUJU DA SU RJEŠENJA?
2015. godine pokrenuo jeHPMB®samopodmazujući ranski ležaj sa filabilnim oblogamaiGGB-SZ bimetalni ležajevi bez olova.
Lansirao seriju samopodmazujućih ležajeva od sinterovane bronce i sinterovanog željeza 2014. godine, uključujući iGGB-BP25,GGB-FP20iGGB-SO16.
GGB ležajevi su imali ulogu u slijetanju na Mjesec 2012. godine od strane NASA-inog Curiosity Rovera. Thesamopodmazujući DU®metalno-polimerni ležajevisluže kao primarne komponente ovjesa za vreteno za bušenje rovera.
U 2010. godini lansirani su materijali za vrhunske performanse u marginalno podmazanim ili suvim uslovima, uključujući metalo-polimerne materijale bez olovaDP10iDP11.
2009. godine lansirao asortiman proizvoda namotanih na nitima za evropsko i azijsko tržište, uključujući snažnu, stabilnu strukturu za potrebe visokog opterećenja i niskog habanja.
NovoDX®10 ležajevaprepoznati su pobjedom na sjevernoameričkom pojačalu Frost&2008; Nagrada Sullivan za nagradu za inovaciju godine u kategoriji ležajeva za kamione klase 7-8, dodijeljena za izvrsnost u novim proizvodima i tehnologijama u industriji.
2003. godine predstavio jemetalni polimerni materijal bez olova DP31s poboljšanim performansama u podmazanim uvjetima i nižim trenjem, boljom otpornošću na habanje i poboljšanom čvrstoćom na zamor.
PokrenutEPTM, nova paleta termoplastičnih ležajeva od čvrstog polimera ubrizganih u kalupe.
1995. predstavioDP4 metal-polimerni materijal bez olova, sa čeličnom podlogomkako bi se zadovoljile potrebe automobilskih amortizera i drugih hidrauličnih aplikacija.
Uključio se u primjene na visokim temperaturama lansiranjem 1986HI-EX®noseći materijal.
Lansirao prvi asortiman proizvoda sa ranama od filamenta u SAD-uGAR-MAX®, podržavaju velika statička i dinamička opterećenja.
1965. godine lansirao jemarginalno podmazani DX®metal-polimerni materijalza primenu u mastima podmazanim mastima.
GGB je 1956. predstavioDU®, prvi metalno-polimerni noseći materijal sa čeličnom podlogom s bronzanom i PTFE oblogomza izvrsno nisko trenje i otpornost na habanje. Iste godine kompanija je predstavila DU-B, sa bronzanom podlogom za poboljšanu otpornost na koroziju.
1887. godine Olin J. Garlock patentirao je svoj prvi industrijski brtveni sistem za zaptivanje klipnjača u industrijskim parnim mašinama.
KAKO TRIBOLOGIJA MOŽE SMANJITI ILI UKLONITI POTREBU ZA TEČNIM MAZIVIMA?
Maziva su dio tribologije, ali u nekim slučajevima mazanje se može ugraditi u materijal komponenata tribo sistema.
Dizajneri materijala stoga stvaraju specifične materijale za suve uslove podmazivanja, postižući superiorne tribološke performanse povezane sa trenjem i habanjem uz smanjenje ili uklanjanje tečnih maziva.
KAKO STANJE VRATILA I PRENOSNI SLOJ UTICAJU NA TRIBOLOŠKE UČINKOVITOSTI?
Budući da je osovina bitan element strukture tribološkog sistema nosećeg podsistema. Njegova svojstva imaju direktan utjecaj na trenje i habanje, kao i na sve ostale pojave u kontaktu s ležajem / osovinom. Osnovna svojstva vratila uključuju:
Materijali i njihova hemijska i fizička svojstva
Geometrijska svojstva, uključujući topografiju i omjer dodira.
KOJI TRIBOLOŠKI ČIMBENICI TREBA RAZMATRATI PRI ODABIRU LEŽAJA? KAKO OVI ČIMBENICI UTJECAJU NA ODABIR LEŽAJA?
Opseg tribološkog sistema je od suštinske važnosti za odabir ležajeva. Pregled razmatranja na visokom nivou uključivao bi sljedeće
1. inducirani kolektivni stres koji uključuje:
Priroda tereta
Priroda pokreta
Temperature
Faktor vremena
2. Partner za parenje:
Materijali, uključujući fizička i hemijska svojstva
Geometrijske karakteristike, uključujući omjer dodira i topografiju (hrapavost, izotropija i anizotropija)
3. Interfacijalni medij i njegov imovinski profil
4. Ambijentalni medij i njegova svojstva
5. Toplotna provodljivost konstrukcije.