Tribologie

1.1. Obiectul cursului

Tribologia este ştiinţa care studiază fenomenele de frecare şi uzură ce însoţesc mişcările mecanice. Denumirea provine de la:

(tribos = frecare) +(logos = ştiinţă).

Ca ştiinţă tribologia se desprinde în anii 1950-1960 din disciplina Organe de Maşini în care este cuprinsă ca un capitol. A fost denumită Tribologie de TABOR în 1954 şi este situată la interferenţa cu alte stiinţe, cum ar fi: fizica, chimia, ingineria materialelor, etc.

Importanţa ei rezultă din faptul că fenomenul de frecare afectează în mod deosebit funcţionarea tuturor maşinilor şi utilajelor. Astfel statisticile arată că prezenţa frecărilor determină anual un consum suplimentar de energie evaluat la 30-50% din energia produsă pe glob. Rezultă că reducerea frecării determină ridicarea eficienţei utilajelor, creşterea randamentului acestora şi, în acelaşi timp, o importantă economie energetică.

Un alt fenomen care apare, odată cu fenomenul de frecare, îl constituie fenomenul de apariţie al uzării. Prin uzare înţelegem fenomenul de desprindere de microparticule de material de pe suprafeţe cu frecare şi care, în timp, sunt eliminate în mediu sub formă de particule de uzură. Acest fenomen determină modificarea dimensiunilor pieselor şi în final conduce la scoaterea lor din uz. Înlocuirea acestor piese, deteriorate prin uzare, determină un important consum de materiale.

Cunoaşterea acestor fenomene, a cauzelor ce le produc, precum şi acţionarea asupra acestor cauze în sensul diminuării efectelor negative poate determina importante economii de energie şi de materiale, precum şi creşterea performanţelor şi a fiabilităţii maşinilor şi utilajelor. Rezultă că, din punct de vedere economic tribologia are o importanţă deosebită.

În prezent, toate ţările cu economie dezvoltată, au dezvoltat puternice laboratoare în domeniul tribologic, specializate pe problematici din cadrul tribologiei şi care au rolul de a cerceta fenomenele tribologice din cuplele mecanice. Există astfel laboratoare specializate în studiul fenomenelor tribologice, cum ar fi studiul fenomenelor din lubrificaţia fluidă, studiul fenomenelor din frecarea uscată, studiul fenomenului de uzare, precum şi laboratoare specializate mult mai îngust cum ar fi studiul comportării lubrifianţilor, studiul lubrifierii la presiuni înalte, studiul frecării şi ungerii în condiţii aerospaţiale, etc.

1.2. Obiectivele tribologiei

În exemplul din figura 1 sunt două tipuri principale de contacte de frecare, notate cu A, respectiv cu B.

În cazul contactelor A se impune să avem o frecare cât mai mare, iar în cazul contactului B să fie o frecare cât mai mică. Acest exemplu ilustrează, de o manieră sugestivă, obiectivele tribologiei respectiv studierea fenomenului de frecare în scopul realizării de condiţii optime pentru ca frecarea să devină maximă (atunci când este folosită pentru transmiterea mişcării şi efortului), respectiv cât mai mică (atunci când ea contribuie la consumul de energie, deci se opune mişcării).

Studiile privind frecarea arată că aceasta depinde de:

-cinematica relativă din contact;

-microgeometria suprafeţelor;

-natura materialeler ce formează cupla;

-prezenţa impurităţilor şi al unui al treilea material în cuplă;

-alte fenomene.

1.3. Istoric

1.4. Regimuri de frecare în cuplele mecanice

Între două corpuri în mişcare, solicitate de o forţă normală apare un fenomen de frecare şi uzare, cu efecte negative asupra funcţionării şi randamentului cuplei. În scopul diminuării acestor efecte negative, se recurge la interpunerea între cele două corpuri a unui al treilea, concretizat prin lubrifiant, care poate fi fluid, solid sau gazos. Scopul acestuia este de a diminua frecarea şi, pe cât posibil, de a elimina fenomenul de uzare, adică îndepărtarea de material din piesele cuplei. Se doreşte astfel generarea în cuple a unui strat de lubrifiant de grosime suficient de mare astfel încât microneregularităţile de pe suprafeţele corpurilor să nu ajungă în contact reciproc.

Deosebim astfel două situaţii limită:

1. O situaţie în care stratul de lubrifiant este de ordinul câtorva diametre de molecule, situaţie denumită frecare limită.

2. O situaţie în care stratul de lubrifiant este suficient de mare încât corpurile să fie separate complet, situaţie denumită frecare fluidă.

Între aceste două situaţii limită se află regimul mixt, când sarcina este preluată prin contact direct între asperităţi (regim limită) şi parţial prin intermediul filmului de lubrifiant (efecte hidrodinamice, hidrostatice), ungere fluidă.

Creşterea acestui strat de lubrifiant implică crearea condiţiilor specifice de existenţă în peliculă a unor presiuni comparabile cu cele ce trebuiesc transmise între elementele cuplei, adică rezultanta acestei presiuni să fie echivalentă cu sarcina de transmis.

Crearea presiunii în film se poate realiza în mod obişnuit prin trei efecte: