Ред. Фролов К.В. Современная трибология:
Итоги и перспективы. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

В наш век стремительных перемен как в общественной жизни, так и в технике, в век появления новых технологий и новых материалов порой забывают, что новое – это чаще всего хорошо забытое старое. Потребность "найти в прошлом не пепел, а огонь" вызывает в наши дни повышенный интерес к истории разных областей науки и техники. Профессиональные историки науки не всегда достаточно оперативно отзываются на эти потребности общества. Тогда за написание книг по отдельным разделам истории науки и техники берутся ученые, профессионально работающие в этих направлениях. Иногда результаты такой работы бывают превосходными, иногда так себе, и тогда лишь общественная потребность в появлении книги, освещающей историю развития той или иной науки (или научного направления), извиняет авторов, более привычных к написанию сугубо специальных работ. Именно на это рассчитывают авторы представленной книги, в которой излагается история трибологии XX века.

Термин "трибология", означающий "наука и технология взаимодействия поверхностей, находящихся в относительном движении, а также связанные с этим явления и их практические следствия", был введен 9 марта 1966 года в докладе комиссии Министерства науки и образования Великобритании, известном как "доклад Джоста". Это неоспоримо. Но неоспоримо также то, что наука о трении возникла много ранее 1966 года, что в ее появлении и развитии приняли участие крупнейшие ученые: гениальный художник и инженер Леонардо да Винчи, изобретатель газового термометра, предсказавший существование абсолютного нуля температуры Гильом Амонтон, открыватель законов электростатики Шарль Огюстен Кулон, прославленный математик Леонард Эйлер и многие другие столь же блестящие имена – Исаак Ньютон, Роберт Гук, Готфрид Лейбниц, Генрих Герц, Дмитрий Менделеев, Борис Дерягин, Александр Ишлинский. И все-таки важнейшим периодом развития трибологии, когда невиданный рост уровня развития техники вызвал адекватно ускоренное развитие учения о трении, обеспечившее возможность этого роста, был XX век.

Инженерная наука вступила в XX век с достаточно ясным пониманием важности трения в работе машин и необходимости его учета при разработке машин и проектировании узлов трения различного назначения. Подход инженеров того времени к проблеме отличался прагматизмом, сводя задачу, в основном, к определению значения коэффициентов трения для конкретных практических ситуаций. Теории отводилась чисто вспомогательная роль, и она не играла сколько-нибудь серьезной роли в течение длительного периода времени. Оживление интереса к проблеме теоретического описания внешнего трения во второй половине XX века вызвано появлением новых конструкционных материалов, развитием технологии поверхностного упрочнения, прогрессом в микроэлектронике и связанным с ним созданием микро- и нанотехнологий, вызвавших, в свою очередь, возникновение на рубеже веков самостоятельного научного направления – нанотрибологии. Этому способствовали также прогресс в теории твердых тел и физическом материаловедении, развитие вычислительной техники и методов компьютерного моделирования в физике твердого тела, появление в 1980–90Не годы принципиально новых физических методик, позволивших изучать контактное взаимодействие на микроскопическом и атомном уровне. В этой связи в эти годы вновь ожил интерес материаловедов и трибологов к поиску корреляций между триботехническими и прочностными свойствами материалов и характеристиками межатомного взаимодействия в них. Установление таких закономерностей может стать основой для адекватного описания механизмов контактного взаимодействия и прогноза трибологических характеристик.

Но история развития трибологии в XX веке еще не написана. Объем трибологических исследований в XX веке и в первых годах текущего столетия столь грандиозен и количество направлений трибологии столь велико, что написание книги, отражающей этот поистине неисчерпаемый материал, едва ли по силам одному автору или небольшой группе авторов, для которых работа в области истории техники не является основной. Решить проблему написания книги по истории трибологии XX века можно было лишь путем совместной работы коллектива специалистов по различным направлениям трибологии, каждый из которых хорошо знает историю развития своего направления. При этом коллектив должен быть коллективом единомышленников, имеющих общие представления о путях развития трибологии. Разумеется, создание такого коллектива – дело достаточно сложное, учитывая также разбросанность специалистов по трибологии по различным городам и организациям.

Однако дело решило существование такого уникального учреждения, как Институт машиноведения им.А.А.Благонравова Российской академии наук. Этот институт был основан Распоряжением N210 по Отделению технических наук АН СССР от 10 ноября 1938 года на базе существовавшей с 8 декабря 1935 года Комиссии машиноведения при группе технической механики ОТН и ее лаборатории. Согласно этому Распоряжению, трение и износ в машинах (в современных терминах – трибология) рассматривалось как одно из главных направлений работ института. Это направление в дальнейшем активно развивалось. Была создана наиболее авторитетная научная школа трибологии в нашей стране, и одна из наиболее авторитетных в мире. Невозможно назвать организацию, которая бы могла похвастаться таким созвездием имен с мировым звучанием, как один из основателей Института и отечественной школы трибологии М.М.Хрущов, прославившийся своими работами в области абразивного изнашивания и приработки подшипниковых сплавов и цапф; И.В.Крагельский, создатель молекулярно-механической теории трения и теории усталостного изнашивания; А.К.Дьячков и М.В.Коровчинский, внесшие значительный вклад в развитие гидродинамической теории смазки и в разработку теоретических основ создания подшипников скольжения; А.И.Петрусевич, один из основателей эластогидродинамической теории смазки, работы которого оказали значительное влияние на методы расчета зубчатых передач; С.В.Пинегин, видный специалист в области контактной прочности, трения и смазки деталей машин, сделавший очень много для развития отечественной подшипниковой промышленности; П.Е.Дьяченко, Р.М.Матвеевский, В.С.Щедров, Э.Д.Браун, Г.М.Харач, В.С.Комбалов и многие другие замечательные ученые ИМАШ. О высочайшем уровне их работ свидетельствует тот факт, что три работы ученых ИМАШ были удостоены дипломов об открытии. Это установление Д.Н.Гаркуновым и И.В.Крагельским эффекта избирательного переноса ("эффекта безызносности"), открытие А.А.Силиным, Е.А.Духовским и др. эффекта аномально низкого трения при бомбардировке некоторых материалов ядрами гелия и, наконец, обнаружение А.А.Поляковым и Д.Н.Гаркуновым явления водородного изнашивания, что оказало большое влияние на методы обеспечения износостойкости деталей машин и механизмов.

Из пяти отечественных специалистов, удостоенных высшей международной награды за работы в этой области – Золотой медали Международного совета по трибологии, двое – сотрудники Института машиноведения: И.В.Крагельский и А.В.Чичинадзе. Широко известны основополагающие работы в различных областях трибологии, выполненные другими сотрудниками ИМАШ: Ю.Н.Дроздовым, А.П.Семеновым, В.Г.Павловым, Л.М.Рыбаковой, Л.И.Куксеновой, И.А.Буяновским, Н.А.Ворониным, В.В.Алисиным, З.В.Игнатьевой, Е.А.Марченко, А.В.Орловым и др. Кроме того, среди сотрудников Института машиноведения много знатоков истории трибологии – пусть даже отдельных ее направлений. Поэтому для написания предлагаемой читателю книги был собран коллектив специалистов, главным образом, сотрудников ИМАШ РАН.

Книга включает 12 глав. В главах последовательно излагается развитие современных представлений о трении в машинах, о контактной прочности материалов, о методах прогнозирования изнашивания, о тепловой задаче трения, о смазке твердых тел, о методах триботехнических испытаний, о нанотрибологии, а также об антифрикционных материалах и о различных покрытиях.

Книга предназначена для широкого круга научных работников и инженеров, специализирующихся в области трибологии, для инженеров, занимающихся разработкой и эксплуатацией машин различного назначения, а также всех, интересующихся историей науки и техники.

В монографии использованы результаты работ, выполненных при поддержке РФФИ (проекты 97-01-00112, 00-01-00165, 05-08-17954, 05-08-33401, 05-08-33649, 05-08-49984, 05-08-65433, 06-08-00129, 06-08-00363).

Авторы и редколлегия благодарят Е.Ф.Дубинина, В.П.Петрова, И.А.Буяновского, В.И.Куксову, Т.Н.Дворецкую за помощь, оказанную при составлении монографии и подготовке ее к печати.

Введение

Трибология – это наука о трении и о процессах, сопутствующих трению, т.е. о таких процессах, как изнашивание контактирующих тел, их фрикционный нагрев, возникновение трибоэлектричества, акустические явления при трении, и многие, многие другие. Роль трибологии в современном мире исключительно велика. Узлы трения включают как все машины и механизмы современной техники, так и практически все подвижные живые организмы. Трение в значительной степени определяет энергетические потери при работе машин и механизмов, поглощая до 30–40% всей вырабатываемой в мире энергии. Сопутствующий трению износ является причиной выхода из строя более 80% деталей машин и механизмов. В то же время, работа ряда агрегатов современной техники основана на использовании явления трения (механические тормоза, другие фрикционные устройства), как, впрочем, и некоторые технологические процессы (получение огня трением, сварка трением и т.д.).

Использование промышленностью достижений трибологии позволяет во много раз сократить потери, вызываемые трением и изнашиванием деталей машин и механизмов. Считается, что грамотное использование достижений трибологии позволяет экономить до 2% национального дохода развитых стран. Существенно большую экономию может обеспечить эффективное использование достижений трибологии в нашей стране. В настоящее время, когда ресурс узлов трения отечественных машин и механизмов почти выработан, износ деталей ответственных узлов трения близок к катастрофическому (порядка 80% основных фондов), а замена изношенных деталей требует значительных финансовых и трудовых затрат, только использование достижений трибологии позволит как повысить ресурс существующего оборудования, так и создать высокоэффективные машины и технологии XXI века и обеспечить нашим соотечественникам современное качество жизни.

Не случайно известный японский ученый М.Хирано в 1992 году утверждал, что "появление трибологии как широкого понятия с исторической и культурной точки зрения было величайшим событием, сравнимым с промышленной революцией середины XVIII века". Комментируя это высказывание, президент Международного совета по трибологии П.Джост пятью годами позже писал: "Если – в чем я уверен – проф. Хирано под "величайшим" подразумевал "всеобъемлющее" событие, то никаких сомнений в правильности его утверждения не остается. Конечно же, трибология всюду". И здесь уместно вспомнить высказывание одного из крупнейших инженеров конца XIX века, отца гидродинамической теории смазки Н.П.Петрова, сделанное еще в 1883 году: "Силу трения можно замечать всегда и повсюду, и ее надо поставить в ряду могущественнейших способов, при посредстве которых природа превращает один вид энергии в другой, постепенно заменяя их тепловыми. Эта сила обнаруживает свое влияние в самых разнообразных явлениях природы, возбуждая живой интерес ученых самых разнообразных направлений. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику". Таким образом, высказывание замечательного русского ученого еще раз свидетельствует о том, что современный специалист должен быть знаком с основами трибологии. О том, что развитие современной техники требует дальнейших исследований и разработок в области трибологии, свидетельствует экспоненциальный рост числа публикаций в области трибологии.

Это предопределяет необходимость также знакомства с историей развития трибологии. Ведь трибологические знания не возникли самопроизвольно в головах ученых, называющих себя трибологами. Трибология имеет свою историю, и эта история изобилует славными именами и блестящими достижениями носителей этих имен. Современный инженер или врач, спортсмен или музыкант не может не заинтересоваться тем, как развивалась наука, с приложениями которой он сталкивается постоянно в своей практической деятельности, наука, история которой с одинаковым основанием может вестись с незапамятных времен и с 9 марта 1966 года – дня, когда она получила свое название. Эта история необычайно интересна и поучительна, и каждому, кто интересуется трибологией, полезно знать историю развития тех положений, которые сейчас представляются нам единственно правильными и которые пришли на смену положениям, казавшимся единственно правильными какие-то двадцать, пятьдесят или сто лет назад. Велика вероятность того, что старые идеи на новом этапе развития науки обретут новую жизнь и покажутся единственно правильными еще через двадцать (а может быть через сто лет), как это уже не раз было в истории науки, в том числе и в истории трибологии. Поэтому историю трибологии полезно знать каждому.

Нельзя сказать, что историей трибологии ранее не интересовались. В своих публикациях трибологи прошлого не забывали почтительно упоминать своих предшественников. Но для того, чтобы этой историей заинтересовались всерьез, для перехода от вежливого перечисления имен коллег к анализу процесса развития этой науки нужно было, чтобы трибология была осознана как наука. Впервые этот шаг сделали выдающиеся трибологи XX века И.В.Крагельский и В.С.Щедров, выпустив в 1956 году капитальную монографию "Развитие науки о трении. Сухое трение", с которой известный французский триболог Р.Куртель настоятельно рекомендовал "познакомиться каждому исследователю, если он одновременно любит историю, философию и естественные науки – эти три столпа современного гуманизма". В работе  на базе подробнейшего ретроспективного обзора исследований рассматриваемого периода дан блестящий анализ развития теории сухого трения с XVI века до середины XX века. Однако со времени выхода в свет этой работы стали известны новые факты об успехах трибологии на протяжении всей человеческой истории – от интереснейших исследований Дэвисона, показавшего, как снижение потерь на трение достигалось еще в древнем мире, до великолепной находки в 1967 году "Испанских кодексов" Леонардо да Винчи, содержавших многие, прежде остававшимися неизвестными, прекрасные открытия в области трибологии, сделанные "величайшим инженером всех времен и народов". Появились фундаментальные работы по истории развития учения о смазке машин – как гидродинамической, так и граничной. Наконец, за последние пятьдесят лет, в соответствии с требованиями развития автотракторной, авиационно-космической, атомной техники, достигнут значительный прогресс в развитии как фундаментальной, так и прикладной трибологии, прогресс, который не могли не только проанализировать, но и прогнозировать И.В.Крагельский и В.С.Щедров. Так, быстрый рост уровня техники вызвал появление совершенно новых направлений трибологии – например, бурное развитие компьютерной техники, потребовавшее создания устройств записи, хранения и обработки информации на магнитных носителях памяти, а также инструментария микрохирургии, устройств сервомеханики, микроэлектромеханических систем и т.д., – привело за последние десятилетия к появлению нанотрибологии, т.е. трибологии микро- и нанообъектов. Все это вызывает необходимость расширения, с одной стороны, рассматриваемого диапазона времени развития трибологии (с древнейших времен до наших дней), а с другой стороны – рассмотрения с единых позиций истории основных направлений трибологии.

Попытки написания такой истории были сделаны известным английским ученым Д.Даусоном, некоторыми другими исследователями (например,). Однако в капитальной монографии Даусона сказалась характерная для многих западных специалистов вольная (или невольная) недооценка роли российских исследователей в развитии трибологии. После ознакомления с такими работами у читателей создается искаженное представление о путях развитии трибологии, в то время как отечественная трибология, начиная с работ Н.П.Петрова, всегда занимала передовые позиции в мировом рейтинге, и среди пионерских работ в области трибологии значительную долю занимают работы именно российских (и советских) исследователей. Объективно представить историю трибологии попытались авторы монографии, но они ограничили рассмотрение истории трибологии периодом с древнейших времен до начала XX века. Не менее объективно представить историю трибологии XX века – важнейший период развития этой науки, когда невиданный рост уровня развития техники вызвал адекватное развитие учения о трении, без которого, кстати, этот рост был бы невозможен, – задача предлагаемой книги. Насколько удачно эта задача решена – судить читателю.

Перед тем, как перейти к изложению предмета книги – истории трибологии XX века – кратко напомним основные этапы развития трибологии с древнейших времен до начала XX века.

Истоки трибологии – науки о трении, износе и смазке машин – уходят в глубины человеческой истории. Первый период истории включает накопление человечеством трибологических знаний с доисторических времен до конца XVI века – время величайших открытий человека в этой области: метода получения огня трением, изобретения колеса, первых подшипников, первых передач трением, смазывания узлов трения и т.д. Трение анализирует сам великий Аристотель. Весомы достижения в прикладной трибологии (Херсифрон, Витрувий; в конце рассматриваемого периода – Кардано, Альберти). На рубеже XVI–XVII веков Леонардо да Винчи проводит пионерские экспериментальные исследования процесса трения, появляются его поразительные изобретения (подшипник качения, сепаратор, эпитрахоидное зацепление, состав антифрикционного сплава и т.д.). Анализ недавно обнаруженного сборника трудов гениального итальянца ("Испанского кодекса") показывает, что им на основе блестяще поставленных экспериментов были сформулированы (в неявном виде) законы трения, изобретен подшипник качения с сепаратором (!), описан состав антифрикционного сплава, разработан ряд конструктивных методов снижения трения, износ трущихся тел связан с нагрузкой на узел трения и т.д.

В XVII–XVIII веках происходит зарождение науки о трении, впоследствии получившей название "трибология".

На фоне крупных социально-экономических преобразований того времени, стимулирующих технический прогресс и повышение уровня технологических знаний, и сформулированного Ф.Бэконом представления об эксперименте как пути познания истины появляются исследования Г.Амонтона, установившего в 1699 году основные законы трения (о пропорциональности силы трения нормальной нагрузке и о независимости силы трения от площади касания тел). Его результаты подтверждают и развивают другие ученые того времени (Ф.Делягир, А.Паран, Ф.Ж.де Камю, Б.Ф.де Белидор и др.), придерживающиеся механистических представлений о природе трения. Несколько позднее становятся известными исследования Д.Т.Дезагюлье (1734), установившего влияние на трение адгезии контактирующих тел, а также работы Я.А.Сегнера (1758), показавшего отличие трения покоя от трения движения. Л.Эйлер (1748) в безупречной математической форме описывает скачкообразный переход от статического трения к динамическому и позднее выводит формулу для расчета трения гибкой нити по цилиндрической поверхности (формула Эйлера). В 1777 году выходит стимулированная потребностями кораблестроения знаменитая книга Ш.О.Кулона "Теория простых машин", которая, согласно авторитетному мнению И.В.Крагельского, содержала в зачаточном состоянии все дальнейшие положения современной науки о трении. Согласно Кулону, сопротивление относительному перемещению трущихся тел слагается из зависимой от площади контакта составляющей, обусловленной сцепленностью поверхностей, и независимой от площади контакта составляющей, обусловленной зацеплением неровностей. В 1785 году С.Винч возрождает представления о роли адгезии в процессе трения.

В XIX веке прогресс техники (прежде всего – развитие железных дорог) выдвигает на первый план проблемы трибологического характера. Осознаются экономические аспекты применения достижений трибологии в технике (Р.Терстон, Н.П.Петров). В начале рассматриваемого периода Д.Лесли (1804) анализирует существующие к тому времени теории трения и вводит представление о деформационной природе процесса. Проводятся экспериментальные исследования процесса трения в условиях, близких к эксплуатационным (Ж.Ренни, П.Конти) для решения конкретных инженерных задач. Большое значение для инженерной практики приобретают исследования А.Ж.Морена, подтвердившего справедливость законов трения Амонтона–Кулона. Первое объяснение причин потерь энергии при трении качения предлагает О.Рейнольдс (1876). Согласно этой теории сопротивление перекатыванию цилиндрических тел объясняется проскальзыванием на площадках контакта. Особый интерес вызывает процесс трения у ученых, установивших закон сохранения и превращения энергии (Г.Гельмгольц: "Трение – это не только сила, препятствующая движению тела. Это также увеличение потенциальной энергии тел за счет их сжатия или ударов, это выделяющаяся теплота и электричество, которое обнаруживается своим аттракционным действием или косвенно, за счет выделения тепла"). Один из этих ученых, Г.А.Хирн, проводит первые систематические исследования процесса смазки трущихся тел. В 1882 году Г.Герц впервые решает задачу об упругом контакте криволинейных твердых тел.

Наконец, в 1883 году Н.П.Петров – "отец гидродинамической теории смазки" – проводит свои пионерские исследования, показавшие, что при обильном смазывании сдвиг происходит в смазочном слое, разделяющем поверхности шипа и подшипника, и что вязкость является основной характеристикой трибологических свойств смазочных материалов в условиях жидкостной смазки. Эти исследования имеют первостепенное значение как для фундаментальной, так и для прикладной трибологии (в частности, они позволили в массовом порядке заменить смазочные материалы растительного и животного происхождения более дешевыми и более устойчивыми к окислению маслами на нефтяной основе). Знаменитая "формула Петрова" позволила впервые в истории трибологии рассчитать потери на трение, исходя из независимо оцененной (т.е. табличной) величины – вязкости. В том же 1883 году Б.Тауэр открывает эффект самопроизвольного повышения давления в смазочном слое хорошо смазанного подшипника при вращении вала, что дает стимул для разработки гидродинамической теории смазки О.Рейнольдсом (1886). Полученное на базе этой теории уравнение Рейнольдса до сих пор является основным уравнением гидродинамической теории смазки. В конце XIX века А.Кингсбери создает первые подшипники на газовой смазке и (что особо интересно – после ознакомления с теорией Рейнольдса) изобретает подшипники с качающимися вкладышами. Теория подшипника с самоустанавливающимися вкладышами была на базе математического решения уравнения Рейнольдса разработана А.Мичеллом. Одновременно имеет место прогресс в разработке смазочных материалов на нефтяной основе. Так, Д.И.Менделеев создает научные основы производства масел из мазута тяжелых кавказских нефтей (1880–1881). В самом конце рассматриваемого периода М.Бриллюэн развивает представления о молекулярной природе трения.

Словом, до начала XX века трибология прошла длительный и славный путь, успешно решая задачи, выдвигаемые практикой, и едва ли прогресс техники надолго задерживался из-за невозможности решения трибологических проблем.

О том, как развивалась трибология дальше, повествует предлагаемая книга.