Трибологія в системах мехатроніки

Кафедра прикладної механіки і комп’ютерно-інтегрованих технологій

Предметом вивчення дисципліни є теоретичні та практичні положення науки про тертя і процеси, що супроводжують тертя ("Трибологія"), зокрема про механізми зносу і утворення повязаних з ним пошкоджень, витрат енергії на подолання тертя в з,єднаннях та вузлах систем мехатроніки, робота яких супроводжується різними за силою та напрямками механічними коливаннями. Між тертям і коливаннями існує тісний взаємний звязок: тертю властиво породжувати кінематичні і динамічні коливання елементів систем мехатроніки, а коливання впливають на тертя. При вивченні навчальної дисципліни будуть грунтовно розглянуті трибологічні властивості матеріалів пар тертя, їх підбір та особливості сухого і рідинного тертя в вузлах системи мехатроніки. Задля мінімізації наслідків трибологічних процесів в сисмемах мехатроніки частина навчального матеріалу буде доповнена знаннями з сучасної триботехніки.

Цілі навчання - дати студентам впорядковані знання та навички, необхідні для вирішення завдань енергозбереження, підвищення надійності вузлів тертя систем мехатроніки, скорочення витрат на їх технічну експлуатацію та ремонт. Завдання навчальної дисципліни - оволодіння здобувачами першого рівня вищої освіти теоретичними основами трибології, знаннями про механізми зношування пар тертя, навичками триботехнічного аналізу роботи пар тертя та методами підвищення довговічності вузлів тертя в системах мехатроніки.

Результатом вивчення дисципліни є набуття студентами таких компетентностей: ВК-34. Здатність аналізувати параметри і показники функціонування пар тертя систем мехатроніки при різних режимах роботи, вести розрахунки на зношення та прогнозувати оцінку зносостійкості поверхонь при нормальному зношуванні, обирати на основі функціонально-фізичного принципу види і способи змащування пар тертя та змащувальні матеріали на основі температурного критерію працездатності, оцінювати системну сумісність та оптимальність трибосистем мехатроніки. ВК-35. Здатність до аналізу факторів і розробки конструкторсько-технологічних пропозицій задля підвищення зносостійкості поверхонь тертя. В результаті вивчення дисципліни студент має набути наступних програмних результатів навчання: ВРН-35 Розробляти, проектувати, досліджувати пар тертя, володіти навичками триботехнічного аналізу роботи пар тертя та методами підвищення довговічності вузлів тертя систем мехатроніки .

Змістовний модуль 1. Основи трибології. Тема 1. Вступ. Основні поняття та визначення. Цілі і задачі дисципліни. Місце дисципліни в структурі освітньої програми. Очікувані результати освоєння дисципліни. Трибологія. Триботехніка. Значимість трибології і триботехніки. Історія розвитку науки про тертя. Перші закони про тертя. Тема 2. Окремі властивості твердих тіл і рідин. Чому тверде тіло тверде. Розмір атомів і зображення сил між ними. Кристалічна структура твердих тіл. Поліморфізм. Вільна поверхня. Дефекти кристалічної будови та їх загальна властивість. Макроструктура твердих тіл(полікристали). Ієрархія структурних рівнів твердих тіл. Аморфні структури твердих тіл. Структура гуми. Структура пластиків і полімерів. Рідкий стан. Газовий стан. Тема 3. Формування структури деформованих металів.Види деформації. Діаграма розтягу металевих матеріалів. Міцність. Пластичність. Механізми пластичного деформування. Наклеп (деформаційне зміцнення). Руйнування і механізми руйнування. Рекристалізація металів. Холодне і гаряче деформування. Тема 4. Тертя. Класифікація видів тертя. Внутрішнє тертя. В’язкість. Статичне тертя. Закономірності статичного тертя. Вимірювання статичного коефіцієнта тертя. Вимірювання динамічного коефіцієнта тертя. Двочленний закон тертя. Молекулярно-механічна теорія тертя. Деформаційно-адгезійна теорія тертя. Закон адитивності тертя. Формування контактів і їх взаємодія в процесі переміщення поверхонь тертя. Фрикційні зв’язки. Класифікація фрикційних зв’язків. Основні характеристики фрикційних зв’язків. Принцип «третього тіла». Схоплювання. Основні представлення про схоплювання. Етапи схоплювання. Головні задачі керування схоплюванням поверхонь. Теплова динаміка тертя. Температурні спалахи при терті. Взаємозв’язок тертя і зношування (стан контакту) з температурами тертя. Принцип сумування температур тертя. Вплив головних експлуатаційних параметрів на значення коефіцієнта тертя. Тема 5. Зношування та зношення. Основні поняття і визначення. Класифікація зносостійкості. Стандартна класифікація видів зношування трибологічних пар. Водневе зношування. Зношування при вибірковому перенесенні при терті. Вторинні структури. Пристосовуваність. Нормальне зношення і явище пошкоджуваності пар тертя. Методика розрахунків на зношення. Енергетичні методи (рівні) оцінки і прогнозу оцінки зношення і зносостійкості. Тема 6. Змащування. Функціонально-фізичний принцип змащування. Види змащування. Гідродинамічне змащування. Температурний критерій працездатності змащувальних мастил. Мінеральні масла. Класифікація. Функціональні присадки і антифрикційні добавки. Критерій працездатності. Антифрикційні матеріали підшипників гідродинамічного тертя. Аеродинамічне (газове) змащування. Граничне змащування. Змащування граничного тиску. Конститентне (пластичне) змащування. Тверді типи змащувальних матеріалів. Тема 7. Узагальнені фізичні представлення про природу тертя. Сутність і необхідність узагальненого підходу. Термодинамічний підхід. Вихідні аксіоми тертя. Структурно-енергетична інтерпретація процесу тертя. Термодинамічна модель тертя. Рівняння енергетичного балансу тертя. Енергетична інтерпретація коефіцієнта тертя Леонардо да Вінчі. Єдність рівнянь енергетичного балансу тертя. Структурно-енергетична діаграма еволюції поверхонь пар тертя. Тема 8. Сумісність трибосистем і елементи аксіоматики машинного тертя. Сумісність поверхонь тертя. Оптимальність трибосистем. Аналіз машин як складних трибосистем. Кількісні признаки оптимальних машин. Принцип системної сумісності трибосистем в машині. Квантові рівні сумісності трибосистем і сумісних машин. Змістовний модуль 2. Основи триботехніки. Тема 9. Матеріали для вузлів тертя. Розділення матеріалів пар тертя по їх призначенню. Вибір матеріалів при конструюванні пар тертя. Фрикційні матеріали. Матеріали для підшипників кочення. Пластичні маси. Металофторопластикові стрічкові антифрикційні матеріали. Матеріали для вузлів тертя, що працюють при високих температурах. Матеріали для вузлів тертя, що працюють в умовах глибокого вакууму та космосу. Металокерамічні та керамічні матеріали. Матеріали, які реалізують ефект беззношувального тертя. Матеріали для вузлів тертя машин кріогенної техніки. Числові критерії працездатності матеріалів в парах тертя. Деякі правила сумісності матеріалів. Тема 10. Розміщення по твердості матеріалів в парах тертя. Матеріали для прямих і обернених пар тертя. Правила вибору матеріалів за параметрами твердості для прямих і обернених пар тертя для вузлів автомобілів. Пористість матеріалів в основному матеріалі і в поверхневому шарі. Критерії вибору матеріалів для пар тертя. Тема 11. Жорсткість вузлів, податливість та спеціальна конфігурація деталей як фактори підвищення зносостійкості пар тертя. Жорсткість і податливість деталі. Конфігурації деталей. Плаваючі деталі. Приклади форм ущільнювачів з хвилеподібними кромками, зубчастих коліс з бочкоподібним і фланкірованим зубом, голівок клапанів двигунів внутрішнього згорання, гіперболічних вкладишів для підшипників ковзання, змінні глибини доріжок підшипників кочення, відбортівка голчатих підшипників кочення, роликопідшипники з еластичним зовнішнім кільцем тощо. Тема 12. Принцип взаємно доданої якості деталей пар тертя. Загальна інформація. Облицювання поверхонь. Використання накладок і вставок. Біметалізація металургійна, гальванічна, гальвано-металургійна, металізація напиленням. Тонкошарові неметалеві покриття. Тема 13. Заміна зовнішнього тертя внутрішнім тертям пружного елемента. Закатані гумометалеві шарніри. Опорні вузли з гумометалевою вулканізованою втулкою. Кріплення ресор в гумовому башмаку. Шарніри з пружними елементами. Тема 14. Заміна в вузлах машин тертя ковзання тертям кочення.Підшипникові вузли. Направляючі кочення. Гвинтові пари кочення. Високошвидкісні суміщені опори. Тема 15. Врахування температурних деформацій деталей пар тертя. Гальмівні системи. Теплова компенсація. Зазори в рухомих з’єднаннях. Упорні підшипники ковзання. Зубчасті і зубчасто-гвинтові передачі. Регулювання зазорів. Захист пар тертя від забруднення та паразитного струму. Тема 16. Врахування якості ремонту при конструюванні вузлів машин. Монтаж і демонтаж машин без їх розбирання. Доступність до пар тертя у вузлах машин. Рентабельність ремонту пар тертя. Використання змінних елементів. Повторне використання деталей пар тертя після відновлення. Компенсація зношування. Безрозбірне відновлення зношених деталей пар тертя.

Для визначення рівня засвоєння студентами навчального матеріалу використовуються такі методи оцінювання знань:  поточне тестування після вивчення кожного змістового модуля;  виступ на практичному занятті;  оцінка за самостійну роботу;  модульний контроль;  підсумковий контроль (екзамен). Для діагностики знань використовується модульно-рейтингова система зі 100-бальною шкалою оцінювання.Для визначення рівня засвоєння студентами навчального матеріалу використовуються такі методи оцінювання знань:  поточне тестування після вивчення кожного змістового модуля;  виступ на практичному занятті;  оцінка за самостійну роботу;  модульний контроль;  підсумковий контроль (екзамен). Для діагностики знань використовується модульно-рейтингова система зі 100-бальною шкалою оцінювання.

диференційований залік