Wat Is Tribologie, deel 1: Tribologie en tribosystemen
Figuur 1: lagersmering
Tribologie is de studie van slijtage, wrijving en smering, en omvat het gedrag van oppervlakken en andere elementen in natuurlijke en kunstmatige systemen onder relatieve beweging.
Tribologie is een complexe, multidisciplinaire aangelegenheid die onderzoekers uit verschillende disciplines samenbrengt. Dit omvat werktuigbouwkunde, fabricage, materiaalwetenschappen en -techniek, chemie, chemische techniek, natuurkunde, wiskunde, biomedische wetenschappen en techniek, informatica en vele andere gebieden. Biotribologie, nanotribologie, ruimtetribologie en tribotronica zijn allemaal subgebieden van de tribologie.
In deze driedelige serie bekijken we drie onderdelen van tribologie en de toepassing van tribologie in de mechanica:
- Deel 1: Tribologie en tribosystemen
- Deel 2: Een diepgaande kijk op smering
- Deel 3: Normen, tests en classificaties in de tribologie
Opmerking: Momenteel verkopen wij geen smeermiddelen.
Inhoudsopgave
- Een korte geschiedenis van de tribologie
- Het belang van tribologie
- Wat zijn tribosystemen?
- Slijtage en wrijving
- Moderne toepassingen van tribologie
Een korte geschiedenis van de tribologie
Het woord 'tribologie' komt van het Griekse woord tribos, dat wrijven betekent, dus het betekent letterlijk 'de wetenschap van het wrijven'. In het Jost Report van 9 maart 1966 introduceerde de Britse werktuigbouwkundig ingenieur Peter H. Jost het concept. Jost wordt beschouwd als de grondlegger van het vakgebied tribologie en zijn rapport legde er meer de nadruk op. Er zouden instituten voor tribologie worden opgericht, samen met een leerboek over tribo-ontwerp en -techniek.
Op 26 september 1966, kort na de publicatie van het Jost-rapport, werd het Comité voor Tribologie formeel opgericht en belast met diverse taken, waaronder:
- Advies uitbrengen over maatregelen ter verbetering van de technologische vooruitgang en de economische efficiëntie op het gebied van de tribologie
- Als tribologisch adviseur dienen voor overheidsdepartementen en andere instanties
- De nieuwste technieken in de tribologie evalueren en aanbevelen aan de industrie
- De regeringen jaarlijks op de hoogte brengen van haar eigen activiteiten, alsmede van trends en ontwikkelingen in de tribologie.
Het belang van tribologie
In het begin was tribologisch onderzoek gericht op het ontwerp en de effectieve smering van machineonderdelen zoals lagers. In de loop der tijd is het zwaartepunt van de tribologie verschoven naar verschillende aspecten van de moderne technologie.
Traditionele toepassingen, die onder de klassieke tribologie vallen, onderstrepen het belang van tribologie met betrekking tot de glijdende oppervlakken in de meeste mechanische componenten, die van cruciaal belang zijn voor de energie-efficiëntie en de maximale levensduur van die componenten. Binnen de transportindustrie was het traditionele tribologie-onderzoek gericht op betrouwbaarheid, maar in modernere tijden is de aandacht verschoven naar energieverbruik en verhoogde efficiëntie, wat resulteert in complexere smeermiddelen. Tribologie kan bijvoorbeeld de uitstoot van koolstofdioxide verminderen door de energie-efficiëntie te verhogen.
Behalve in de transportsector heeft tribologie ook een vitale rol gespeeld in de productiesector, met name bij het vormen van metaal. Inzicht in tribologie in de productie is belangrijk omdat het de productiviteit kan verhogen en tegelijkertijd de kosten kan verlagen.
Wat zijn tribosystemen?
Tribologie is de studie van tribosystemen - fysische systemen van oppervlakken die met elkaar in contact komen. Het tribosysteem wordt beïnvloed door een groot aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden voordat materialen en een effectief smeermiddel worden geselecteerd. Parameters zijn onder meer bewegingstype, snelheid, temperatuur, belasting en bedrijfsomgeving. In grote lijnen kan dit worden onderverdeeld in operationele inputs, systeemstructuur, functionele outputs en verliesoutputs. Voorbeelden van elk zijn:
Operationele inputs
- Soort beweging: Wat voor soort beweging ondergaat het onderwerp? Dit kan zijn glijden, rollen, stoten, rollen met slippen, enz.
- Belasting: Wat is de belasting en hoe wordt deze belasting uitgeoefend in termen van amplitude, frequentie en duur?
- Snelheid: Om welke snelheidsfactor gaat het?
- Temperatuur: Bij temperatuur spelen verschillende factoren een rol, zoals de omgevingstemperatuur, de door wrijving veroorzaakte temperatuur, externe verwarming en/of afkoeling, temperatuurgradaties, en het vlampunt.
Systeemstructuur
De systeemstructuur wordt bepaald door de aanwezige elementen, waaronder:
- Grondlichaam en tegenlichaam: Dit kunnen twee oppervlakken zijn die over elkaar schuiven. Bijvoorbeeld twee metalen oppervlakken die over elkaar schuiven.
- Het omgevingsmedium: Een omgevingsmedium kan bijvoorbeeld de buitenlucht zijn.
- Het interfaciale medium: Bijvoorbeeld een smeermiddel dat zich tussen de twee oppervlakken bevindt, zoals in lagers.
Deze worden beïnvloed door de volgende factoren:
| Grondlichaam en tegenlichaam | |
| Materiaaleigenschappen | Geometrische eigenschappen |
|
|
Figuur 2: Tribologie omvat veel verschillende factoren in de mechanica. Van de wrijving in de lagers van deze vrachtwagenas, tot de wrijving tussen de wielen en het wegdek.
| Interfacial Medium | |
| Toestand van vloeistof en gassen | Toestand van vaste stoffen |
|
|
| Omgevingsmedium |
|
Functionele output
Functionele output in de tribologie zijn het resultaat van de transformatie of overdracht van de operationele inputs door de systeemstructuur. In essentie:
Operationele input > Systeemstructuur > Functionele output
Voorbeelden van functionele outputs zijn: kracht, beweging, informatie, materie en materiaal.
Verlies output
Door de aard van wrijving en slijtage is de laatste factor de verliesoutput. Dit omvat de dissipatie en het verlies van energie, en het ontstaan van brokstukken. Het minimaliseren van de verliesoutput vertaalt zich rechtstreeks in het beheersen van financiële verliezen. In de mechanica kan dit worden bereikt door, bijvoorbeeld, smering.
Na de identificatie van het systeem en de parameters die van toepassing zijn, kunnen we verschillende smeermiddelchemicaliën toe passen om het optimale smeermiddel voor de toepassing te bepalen. In deel 2 bespreken we de smering. Bekijk ook ons artikel over lagersmering of ons smeringsoverzicht.
Slijtage en wrijving
Wat is wrijving in tribologie?
De term wrijving verwijst naar de weerstand die door twee lichamen wordt opgewekt wanneer zij met elkaar in contact zijn. De basiswetten voor wrijving beschrijven wrijving op macroscopisch niveau. Zij stellen dat wrijvingskrachten lineair gerelateerd zijn aan belastingen. Het is mogelijk een dimensieloze parameter te berekenen, de wrijvingscoëfficiënt, vaak gesymboliseerd door de Griekse letter µ.
De wrijvingscoëfficiënt beschrijft de verhouding tussen de wrijvingskracht tussen twee lichamen en de kracht die hen tijdens of bij het begin van het slipproces naar elkaar toe duwt. De wrijvingscoëfficiënt is afhankelijk van de gebruikte materialen. Rubber op bestrating heeft een hoge wrijvingscoëfficiënt, terwijl ijs op staal een lage wrijvingscoëfficiënt heeft.
De hoeveelheid wrijving kan worden berekend met de volgende formule voor de wrijvingscoëfficiënt, waarbij:
- μ = statische (μs) of kinetische (μk) wrijvingscoëfficiënt
- Fn = toegepaste belasting
- Fr = wrijvingskracht
Figuur 3: Dit toont het tribologiesysteem, waarbij Fn de belasting is die op de glijvlakken wordt uitgeoefend, Fr de wrijvingskracht (beweging), en de rode lijn de toevoeging van smeermiddel aangeeft die de kinetische wrijvingscoëfficiënt verlaagt.
Wat is slijtage in tribologie
Slijtage treedt op wanneer oppervlakken onomkeerbaar op elkaar inwerken en er materiaal verloren gaat. In een glijdend paar oppervlakken treden elementaire fysische en chemische processen op. Slijtagemechanismen resulteren in materiaal- en vormveranderingen van de wrijvingspartners. Deze omvatten:
- Oppervlaktemoeheid: Dit kan spanningsbreuken veroorzaken in het oppervlaktemateriaal
- Slijtage: Veroorzaakt groeven in het oppervlaktemateriaal
- Hechting: Overdracht van materiaal
- Tribochemische reacties: Veroorzaakt de vorming van deeltjes en residuen
Moderne toepassingen van tribologie
Van de vroege focus op het verbeteren van de werking en het verlengen van de levensduur van industriële machines, heeft tribologie zich ontwikkeld tot een breed scala van toepassingen die een impact hebben gehad op vele gebieden:
- De klassieke tribologie heeft betrekking op de wrijving en slijtage in machine-elementen, zoals: remmen, rollagers, koppelingen, glijlagers, wielen, tandwielen, enz.
- De laatste jaren is de nanotribologie sterk in opkomst. In het bijzonder wordt aandacht besteed aan tribologische verschijnselen op nanoscopische schaal.
- Ruimtetribologie richt zich op tribologische systemen die werken onder zware omgevingsomstandigheden, met name die het gevolg zijn van extreme temperatuurschommelingen in de ruimte.
- Groene tribologie onderzoekt hoe de impact op het milieu kan worden geminimaliseerd, en hoe het verlies aan tribologische efficiëntie kan worden beperkt door technologieën te gebruiken met een minimale impact op het milieu.
- Het gebied van de biotribologie bestudeert smering in biologische systemen, zoals menselijke heupen en knieën.
- Tribotronics is een vorm van robotica die machine-elementen en elektronische componenten combineert om actieve tribologische systemen te creëren.
- Computationele tribologie modelleert het gedrag van tribologische systemen door verschillende disciplines te combineren, zoals contactmechanica, breukmechanica, en computationele vloeistofdynamica.
- Geotribologie bestudeert wrijving, slijtage en smering van geologische systemen, zoals breuken en gletsjers.
In deze driedelige serie bekijken we de basis van tribologie en de toepassing van tribologie in de mechanica. Lees verder voor een diepgaande kijk op smering.