علم الترايبولوجي هو علم التآكل والاحتكاك والتشحيم ، ويشمل كيفية تفاعل الأسطح وعناصر التريبو الأخرى في الحركة النسبية في الأنظمة الطبيعية والاصطناعية ، وهذا يشمل التصميم المحمل والتزييت.
علم الترايبولوجي ليس علمًا منعزلاً ، ولكنه بالأحرى مسعى معقد متعدد التخصصات حيث يتم إحراز تقدم من خلال الجهود التعاونية للباحثين من مجالات تشمل الهندسة الميكانيكية والتصنيع وعلوم وهندسة المواد والكيمياء والهندسة الكيميائية والفيزياء والرياضيات والعلوم الطبية الحيوية والهندسة ، علوم الكمبيوتر والمزيد.
ما هي أساسيات علم التريبولوجيا؟
أحد أهم ركائز علم الترايبولوجي هو التفكير التحليلي والنظام المرتبط بالنظام.
النظم الترايبولوجية123
الاحتكاك والتآكل ليسا من الخصائص المادية. إنها استجابات لنظام ترايبولوجي محدد يشتمل عادةً على تركيبة محمل وعمود وزيوت وبالتالي تتأثر بمجموعة واسعة من العوامل. يقدم النظام الفرعي الترايبولوجي في الشكل 1 نظرة عامة على العوامل المشتركة التي تؤثر على قيم الاحتكاك والتآكل:
1Horst Czichos، Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie، Tribomaterialien، Tribotechnik، Vieweg + Teubner Verlag، 2010
2Theo Mang، Kirsten Bobzin، Thorsten Bartels: Industrial Tribology: Tribystems، Friction، Wear and Surface Engineering، Lubrication، Wiley-VCH، 2011
3ثيو مانج وآخرون: موسوعة مواد التشحيم والتشحيم ، Springer Verlag ، 2014
ما هي التحديات الأساسية التي يواجهها المتنافسون؟
التحدي الأكبر هو أن قيم الاحتكاك والتآكل لا يمكن نقلها بسهولة من نظام إلى آخر ، على سبيل المثال من منصة اختبار ترايبولوجي إلى تطبيق حقيقي. المقارنات بين القيم المقاسة تكون مجدية فقط عندما تستند إلى نظام ترايبولوجي مشابه جدًا. يمكن تقدير السلوك الترايبولوجي للمواد لتطبيقات محددة بناءً على اختبار النمذجة والمحاكاة بشرط أن تكون ظروف التشغيل المحددة لبيئة التطبيق والاختبار هي نفسها.
الاحتكاك والارتداء (1) (2) (3)
ما هو الاحتكاك؟
احتكاكهي قوة مقاومة الحركة بين جسدين على اتصال. يمكن وصف الاحتكاك على المستوى العياني من خلال قوانين الاحتكاك الأساسية للفيزيائيين Guillaume Amontons و Charles-Augustin de Coulomb. وجد هؤلاء الفيزيائيون علاقة خطية بين قوة الاحتكاك الناتجة والحمل الطبيعي المطبق. بناءً على ذلك ، يمكن اشتقاق معلمة رئيسية غير أبعاد ، تسمى معامل الاحتكاك. يتم تحديده من خلال نسبة قوة الاحتكاك الناتجة والقوة الطبيعية المطبقة.
ومع ذلك ، فإن الآلية الفعلية للاحتكاك المنزلق تحدث على المستوى المجهري ، مما يعني أن النظريات الترايبولوجية حول الاحتكاك تتضمن أيضًا تضاريس الأسطح. يفرق الترايبولوجي بين منطقة الاتصال الحقيقية ومنطقة الاتصال الاسمية (الأبعاد الهندسية) ، والتي تمثل أي فراغات أو أجزاء غير ملامسة لعنصر صلب. تشمل الآليات المسؤولة عن عملية تحويل الطاقة في منطقة السطح القريبة ما يلي:
ماذا ترتدي؟
يُعرَّف البلى بأنه خسارة مادية لا رجعة فيها للأسطح المتفاعلة. تُعرف العمليات الأولية الفيزيائية والكيميائية داخل منطقة التلامس الخاصة بزوج منزلق يؤدي لاحقًا إلى تغيير في المواد وشكل شركاء الاحتكاك باسم آليات التآكل. تشمل آليات التآكل هذه:
µ=f (بنية تريبو (t) ، إجهاد جماعي مستحث (t))
w=f (tribo-structure (t) ، الإجهاد الجماعي المستحث (t))
لا تحدث آليات الاحتكاك والتآكل بطريقة منعزلة ، بل تحدث من خلال تراكب الآليات التي يصعب قياسها والتحكم فيها. يحدث هذا التراكب في أنظمة Tribo-Technical بنسب غير قابلة للاكتشاف وبنسب تختلف عبر الزمان والمكان ، مما يجعل من المستحيل تقريبًا حساب عمليات الاحتكاك والتآكل في اتصال تريبو. هذا هو السبب في أن الاختبارات الترايبولوجية ضرورية للغاية لتقدير السلوك الترايبولوجي. إذا أردنا تفسير وفهم البيانات المقاسة تراثيًا والبحث الموجه نحو الآلية ، فنحن بحاجة إلى معرفة كاملة بآليات التمثيل في اتصال تريبو.
يصنف علماء الترايبولوجيون ظروف الاحتكاك والتآكل والتشحيم وفقًا للجداول التالية:
نظام الاحتكاك 0:الاحتكاك الصلب: يحدث الاحتكاك بين الأسطح الصلبة الملامسة مباشرة بدون أي مواد تشحيم.
نظام الاحتكاك الأول:احتكاك الحدود: الاحتكاك الصلب ، حيث يتم تغطية أسطح أطراف الاحتكاك بغشاء تشحيم جزيئي ليس له قدرة تحمل حمولة. زيت التشحيم له تأثير على خصائص الاحتكاك والتآكل.
نظام الاحتكاك الثاني:الاحتكاك المختلط: يتعايش نظام الاحتكاك الأول والثالث. قيمة الاحتكاك هي مزيج من الاحتكاك الصلب والاحتكاك الهيدروديناميكي. يتميز فيلم السائل الذي تم إنشاؤه بواسطة مادة التشحيم بقدرة تحمل حمولة.
نظام الاحتكاك III:الاحتكاك الهيدروديناميكي: يتم تحديد قيمة الاحتكاك عن طريق القص في السائل. تمنع قدرة الحمل للفيلم السائل الاتصال المباشر بين السطحين الصلبين.
ارتداء النظام أ:معدلات تآكل عالية بسبب الاحتكاك الصلب والتلامس المباشر للأسطح.
ارتداء النظام ب:قيم تآكل أقل بسبب فيلم سائل جزيئي.
ارتداء النظام ج:تآكل خفيف بسبب الفصل الجزئي للأسطح من خلال فيلم سائل سميك.
ارتداء النظام د:"التآكل الصفري" الناتج عن أفلام السوائل الهيدروديناميكية أو المرنة الديناميكية التي تمنع الاتصال المباشر للسطحين.
ما هي النتائج التي يمكن تحقيقها من خلال تطبيق تريبولوجي على تصميم المحمل؟
كيف يمكن أن يؤدي علم الترايبولوجي إلى تحسين قابل للقياس للمنتج؟
يسمح لنا الاختبار الترايبولوجي بالحصول على معلومات حول أداء تريبو للمواد لدفع تصميمات مواد جديدة وأفضل. يمكننا بعد ذلك استهداف التركيبات المادية لتحقيق خصائص ترايبولوجية محددة وأفضل.
تساعدنا نتائج الاختبارات الترايبولوجية والطرق التحليلية للسطح في تقدير أداء التريبو بما في ذلك الاحتكاك والتآكل وآليات الفشل وحركية أفلام النقل للمواد الموجودة والنماذج الأولية الجديدة بناءً على عوامل وتأثيرات مختلفة. تساعدنا هذه المعلومات في رؤية وفهم المتغيرات مثل تأثيرات تركيبات المواد المختلفة بما في ذلك الحشو وتركيز الحشو والتأثيرات التآزرية للحشوات وبنية المواد بالإضافة إلى تأثير العناصر الأخرى لهيكل النظام.
كيف يعمل علم الترايبولوجي على تحسين الكفاءة وإطالة عمر خدمة المواد المحامل؟
الأسطح الملامسة المحسنة ترايبولوجياً
تحديد العوامل الحاسمة التي تؤثر على نظام تريبو
تحديد الحلول لتحسين الكفاءة وتقليل التآكل ، بما في ذلك:
استخدام مواد الاحتكاك والتآكل الأمثل.
تحسين أزواج المواد ، مما يؤدي إلى انخفاض مستويات الاحتكاك والتآكل.
اختيار واستخدام مواد التشحيم الصحيحة.
الوصول إلى تغييرات التصميم التي لها تأثير مفيد على الأداء العام لنظام تريبو.
ما هي بعض الأمثلة على التقدم التكنولوجي الذي قدمته الأبحاث الترايبولوجية؟
للحصول على لمحة عامة عن التطورات التاريخية في تحمل التكنولوجيا مدفوعة ببحوث تريبو ، اقرأهذه المقالة في مجلة يوريكا. وهو يغطي محامل الأسطوانة البدائية التي استخدمها المصريون القدماء ، والمحامل الكروية التي استخدمها الرومان 40BC ، وأدوار المعالجة الحرارية للصلب الصلب والسيراميك القائم على الأكسيد. كما يغطي تطوير أول محمل بوليمر معدني عادي ذاتي التشحيم بواسطة GGB.
في أي الصناعات والتطبيقات مفيدة الترايبولوجي؟
يلعب علم الترايبولوجي دورًا مركزيًا في التطبيقات التي يتحرك فيها سطحان متلامسان فيما يتعلق ببعضهما البعض. تفرض بعض الصناعات مطالبًا أعلى على الأنظمة الترايبولوجية بسبب أهمية مهمتها أو متطلبات التشغيل المستمر أو الظروف القاسية.
ما الذي يحتاج المهندس إلى التفكير فيه عند تصميم المنتجات أو الاحتكاك / ارتداء التجارب؟
هذا يعتمد بشدة على التطبيق. تتطلب بعض التطبيقات احتكاكًا منخفضًا (مثل مواد التحميل) بينما تتطلب تطبيقات أخرى احتكاكًا عاليًا (مثل أنظمة الفرامل). بالنسبة لمعظم التطبيقات ، يعد الحد الأدنى من تآكل المواد هو الهدف الأساسي. بالنسبة للعديد من التطبيقات ، غالبًا ما يتم استهداف نقطة جيدة بين مستويات الاحتكاك المنخفضة وأداء التآكل الجيد.
عند تصميم التجارب التي تصف الاحتكاك والتآكل ، يمكن وضع الاختبار الترايبولوجي في واحدة من ست فئات رئيسية ، من الاختبارات الميدانية في الفئة الأولى إلى أبسط الاختبارات المعملية من الفئة السادسة.
الفئة الأولى:يتم إجراء تجربة ميدانية في ظل ظروف التشغيل العادية ، والتي قد تشمل ظروف تشغيل ممتدة. ينتج عن هذا ضعف التكرار ولكنه قريب من متطلبات العالم الحقيقي التي سيواجهها النظام الترايبولوجي.
الفئة الثانية:يتم إجراء التجارب باستخدام قطعة كاملة من المعدات في بيئة المصنع. قد تحقق هذه التجارب نتائج قريبة من ظروف التشغيل العادية ويمكن إجراؤها على مدى فترة زمنية لتكرار ظروف التشغيل الممتدة مع الحد من التأثير البيئي.
الفئة الثالثة:يتم اختبار المكونات أو الأنظمة الفرعية أو التجميعات في المختبر لتقريب ظروف التشغيل العادية الممتدة ، مما ينتج عنه قابلية تكرار متوسطة
الفئة الرابعة:يتم إجراء الاختبارات المعملية على المكونات القياسية التسلسلية باستخدام جهاز مصنع اختبار مصغر.
الفئة الخامسة:يتم إجراء التجارب على عينة مزودة بمعدات اختبار لتقديم ظروف تشغيل قريبة من ظروف التشغيل العادية مع إمكانية تكرار ممتازة.
الفئة السادسة: يتم إجراء اختبار مقاعد البدلاء باستخدام معدات اختبار معملية بسيطة.
من المهم أن نتذكر أنه في الفئات من الأول إلى الثالث ، تظل بنية نظام التجميع التراكمي الأصلي متسقة ، ويتم تبسيط الضغط الجماعي فقط. تقدم الفئتان الثانية والثالثة ضغوطًا جماعية أكثر قابلية للتكرار مقارنة بالفئة الأولى. وعلى النقيض من ذلك ، في الفئات الرابعة إلى السادسة ، يتم تبسيط هيكل النظام مع المساوئ بتقليل إمكانية التنبؤ في قابلية نقل نتائج الاختبار إلى أنظمة تريبو-تقنية قابلة للمقارنة. تقدم الفئات من الرابع إلى السادس قياسًا أفضل للتلامس الفرعي وتكلفة أقل وإطارًا زمنيًا أكثر إحكامًا للاختبار.1لذلك مع ترتيب تصاعدي لفئات الاختبار ، يزداد وقت الاختبار وكذلك تكلفة الاختبار بشكل كبير ، ولكن تزداد قابلية نقل نتيجة الاختبار أيضًا.
كيف يمكننا تطبيق فئات الاختبار على تحمل نظام تريبو الفرعي؟
يمكن تقسيم الاختبار الترايبولوجي للمواد المحامل إلى أربع فئات رئيسية:
أوصاف أداء المنتج ، والتي تشمل الفئتين الرابعة والثالثة لضمان إمكانية نقل النتائج.
مراقبة الإنتاج / التصنيع ، بما في ذلك الفئات من السادس إلى الرابع ، مع احتمال وجود الفئة الثالثة أيضًا.
قد يشمل اختبار المحامل المتعلق بالعميل الفئات من الثالث إلى الخامس ، مع الأخذ في الاعتبار أن الفئة الخامسة ذات صلة فقط إذا كان من الممكن تكييف الاختبار في أقرب وقت ممكن من التطبيق.
يمكن استخدام جميع الفئات لدعم مصممي المواد ، مع وجود فئات أقل في المراحل الأولى من التطوير للاختيار المسبق والفئات ذات الأرقام الأعلى التي تدخل حيز التنفيذ عند توفر المكونات الفرعية والمنتج النهائي.
1Horst Czichos، Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie، Tribomaterialien، Tribotechnik، Vieweg + Teubner Verlag، 2010
ما هو نهج GGB في تطوير حلول تحمل من خلال الخبرة التريبلوجية؟
تقوم GGB بتطوير مواد مُحسَّنة من الناحية الترابطية بناءً على النتائج الترايبولوجية. نحن نجمع هذه المعرفة بعلوم المواد والأداء مع الفهم الشامل للأداء الترايبولوجي لمنتجاتنا وكيف تتماشى مع متطلبات تطبيق عملائنا.
ما هي بعض إنجازات GGB في مجال الترابولوجيا كما تنطبق على حلول تحمل؟
في عام 2015 ، أطلقتHPMB®محمل الجرح من خيوط التشحيم الذاتي مع بطانات آليةو المحامل ثنائية المعدن خالية من الرصاص GGB-SZ.
أطلقت سلسلة من المحامل المصنوعة من البرونز والحديد الملبد ذاتية التشحيم في عام 2014 ، بما في ذلكGGB-BP25,GGB-FP20وGGB-SO16.
لعبت محامل GGB دورًا في الهبوط على سطح القمر عام 2012 بواسطة NASA Curiosity Rover. الالتشحيم الذاتي DU®محامل معدنية بوليمربمثابة مكونات التعليق الأساسية لمغزل الحفر للمركبة الجوالة.
في عام 2010 ، تم إطلاق المواد للحصول على أداء فائق في ظل ظروف التشحيم الهامشي أو الجافة ، بما في ذلك مواد البوليمر المعدنية الخالية من الرصاصDP10وDP11.
تم إطلاق مجموعة منتجات ملفوفة بالفتيل للأسواق الأوروبية والآسيوية في عام 2009 ، بما في ذلك هيكل قوي ومستقر لمتطلبات الحمولة العالية والتآكل المنخفض.
جديدDX®10 محاملمن خلال الفوز بسباق Frost&لعام 2008 في أمريكا الشمالية ؛ جائزة سوليفان لابتكار المنتجات للعام في فئة محامل الشاحنات من الفئة 7 إلى 8 ، والتي تُمنح للتميز في المنتجات والتقنيات الجديدة في الصناعة.
في عام 2003 ، قدممادة البوليمر المعدنية خالية من الرصاص DP31مع تحسين الأداء في ظل ظروف التشحيم وانخفاض الاحتكاك ، وتحسين مقاومة التآكل وتحسين قوة التعب.
انطلقتEPTM، مجموعة جديدة من محامل البوليمر الصلب المصبوب بالحقن.
في عام 1995 ، قدممادة بوليمر معدنية خالية من الرصاص ومدعومة بالفولاذلتلبية احتياجات ممتصات صدمات السيارات والتطبيقات الهيدروليكية الأخرى.
أخذت تطبيقات درجات الحرارة العالية مع إطلاق عام 1986مرحبا- EX®مواد تحمل.
إطلاق أول مجموعة منتجات لف الشعيرات في الولايات المتحدة بما في ذلكجار ماكس®، مما يدعم الأحمال العالية الثابتة والديناميكية.
في عام 1965 ، تم إطلاقDX مشحم بشكل هامشي®مادة البوليمر المعدنيةللتطبيقات الشحمية أو الزيتية.
في عام 1956 ، قدمت GGB نسخةدو®، أول مادة تحمل بوليمر معدنية مدعومة بالفولاذ مع بطانة من البرونز و PTFEللحصول على احتكاك منخفض ممتاز ومقاومة التآكل. في نفس العام ، قدمت الشركة DU-B ، مع دعم من البرونز لتحسين مقاومة التآكل.
في عام 1887 ، حصل أولين ج. جارلوك على براءة اختراع أول نظام ختم صناعي خاص به لإغلاق قضبان المكبس في المحركات البخارية الصناعية.
كيف يمكن لعلم التريبولوجيا أن يقلل أو يلغي الحاجة إلى زيوت التشحيم السائلة؟
تعتبر مواد التشحيم جزءًا من الترايبولوجي ، ولكن في بعض الحالات يمكن دمج مواد التشحيم في مادة مكونات نظام تريبو.
لذلك ، يقوم مصممو المواد بإنشاء مواد محددة لظروف التشحيم الجاف ، مما يحقق أداء ترايبولوجيًا فائقًا يتعلق بالاحتكاك والتآكل مع تقليل أو التخلص من مواد التشحيم السائلة.
كيف تؤثر حالة عمود الدوران وطبقة النقل على الأداء التربوي؟
لأن العمود عنصر أساسي في بنية النظام الترايبولوجي لنظام المحمل الفرعي. خصائصه لها تأثير مباشر على الاحتكاك والتآكل وكذلك على جميع الأحداث الأخرى في الاحتكاك / ملامسة العمود. تشمل خصائص العمود الأساسية ما يلي:
المواد وخصائصها الكيميائية والفيزيائية
الخصائص الهندسية بما في ذلك التضاريس ونسبة الاتصال.
ما هي العوامل الترايبولوجية التي يجب أخذها في الاعتبار عند الاختيار؟ كيف تؤثر هذه العوامل على اختيار المحمل؟
نطاق النظام الترايبولوجي له أهمية أساسية في تحمل الانتقاء. يمكن أن تتضمن نظرة عامة عالية المستوى على الاعتبارات ما يلي
1. الإجهاد الجماعي المستحث بما في ذلك:
طبيعة الحمولة
طبيعة الحركة
درجات الحرارة
عامل الوقت
2. شريك التزاوج:
المواد ، بما في ذلك الخصائص الفيزيائية والكيميائية
السمات الهندسية بما في ذلك نسبة التلامس والتضاريس (الخشونة ، الخواص ، التباين)
3. الوسط البيني وملف خصائصه
4. الوسط المحيط وخصائصه
5. التوصيل الحراري للبناء.