تریبولوژی مطالعه سطوح متقابل در حال حرکت نسبت به یکدیگر در سیستمی از قطعات متحرک است. سه جنبه اصلی دارد: اصطکاک، سایش و روانکاری. لئوناردو داوینچی متفکر رنسانس به طور گسترده ای به عنوان پدر قبیله شناسی شناخته می شود زیرا او برخی از اولین ایده های ابتدایی را در مورد این موضوع ایجاد کرد. فیزیکدان Guillaume Amontons و مهندس Charles-Augustin Coulomb، هر دو فرانسوی، مجموعه دانش قبیله‌شناختی را گسترش دادند و نظریه‌های بیشتری را توسعه دادند، که برخی از آنها هنوز هم تا به امروز مرتبط هستند.

رشته تریبولوژی بسیار پیچیده است زیرا شامل رشته‌ها و رشته‌های دانشگاهی از جمله ریاضیات، فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی، علوم مواد و مهندسی می‌شود. به این ترتیب، تریبولوژی دارای زیرشاخه های متعددی است، مانند بیوتریبولوژی، نانوریبولوژی، تریبوترونیک و غیره.

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• تریبولوژی چیست
• اهمیت قبیله شناسی
• مواد مورد استفاده در تریبولوژی
• چالش های موجود در تریبولوژی

تریبولوژی چیست؟

تریبولوژی دارای چندین زیرشاخه است، اما عاقلانه است که آن را از فرآیندهای اصلی زیربنای آن مطالعه کنیم: اصطکاک، سایش و روانکاری. ماهیت تریبولوژی اساساً به حداقل رساندن (یا در برخی موارد، به حداکثر رساندن) اصطکاک و سایش از طریق نوع مناسب روانکاری در یک سیستم معین است که شامل قطعات متحرک است. از آنجایی که انواع مختلفی از چنین سیستم هایی وجود دارد که هر کدام شامل مواد متفاوتی هستند و به انواع مختلفی از روانکاری نیاز دارند، واضح است که مطالعه تریبولوژی تا چه حد می تواند پیچیده شود.

اصطکاک چیست؟

اصطکاک نیرویی است که در جهت مخالف حرکت دو سطح متقابل عمل می کند. این رابط ممکن است بین دو بدن مجزا یا درون یک بدنه باشد. اصطکاک، F، را می توان به عنوان حاصل ضرب بار اعمال شده، L، و ثابتی به نام ضریب اصطکاک، μ تعریف کرد که منحصر به برهم کنش بین سطوح در تماس است و ذاتی مواد تشکیل دهنده سطوح نیست.

“F=mu cdot L”.

دو نوع اصلی اصطکاک وجود دارد: اصطکاک استاتیک و اصطکاک جنبشی. اینها به ترتیب نشان دهنده اصطکاک بین سطوح در حالت استراحت یا در حرکت نسبی هستند. اصطکاک را می توان بیشتر به اصطکاک لغزشی، اصطکاک غلتشی و اصطکاک سیال طبقه بندی کرد. انرژی مورد استفاده برای غلبه بر اصطکاک باعث کاهش قابل توجه راندمان در دستگاه ها، ماشین ها و سیستم ها می شود.

پوشیدن چیست؟

فرسودگی عبارت است از زوال تدریجی یک یا همه سطوح جامد در تماس به دلیل حرکت نسبی آنها در برابر یکدیگر. به زبان ساده، اصطکاک باعث سایش می شود و هر چه اصطکاک بیشتر باشد، سایش بیشتر می شود. مکانیسم های مختلفی وجود دارد که به وسیله آنها سایش رخ می دهد. یک سطح ممکن است به دلیل یک یا چند مکانیسم به طور همزمان دچار سایش شود.

مکانیسم های سایش را می توان به چهار دسته اصلی طبقه بندی کرد [1]:

1. سایش چسب: سایش ناشی از چسبندگی بین دو سطح ماده در برخورد آنها با یکدیگر است. این اتصال ممکن است باعث از بین رفتن مواد از یک سطح و افزایش در سطح دیگر یا از دست دادن هر دو سطح شود.
2. سایش ساینده: ساییدگی ناشی از سطح یک ماده سخت تر است، زیرا بر روی یک ماده نرم تر تحت بار فشار می آورد و باعث تخریب تدریجی و مداوم مواد نرم می شود.
3. پوشیدن خستگی: سایش ناشی از تنش موضعی بین دو سطح است که چندین بار تکرار می شود و منجر به شروع و انتشار ترک می شود. پس از یک تعداد بحرانی چرخه، زباله ها به عنوان تراشه های مواد از سطوح از ترک ها تشکیل می شوند.
4. سایش خورنده: تخریب سطح یک ماده به دلیل محیط خورنده ای است که در معرض آن قرار دارد. سایش خورنده ممکن است در شرایط خشک یا مرطوب تا زمانی که محیط دارای شرایط خورنده باشد رخ دهد.

روانکاری چیست؟

روان کننده ها موادی هستند که برای کنترل اصطکاک و سایش بین دو سطح متحرک در تماس با یکدیگر استفاده می شوند. اونها می تونند … باشند جامد، مایع، هوا یا ترکیبی از این حالت ها. از آنجایی که هیچ سطح واقعاً صافی وجود ندارد، دو سطح که به یکدیگر مالش می‌شوند در سطح میکروسکوپی به هم متصل می‌شوند. هدف از معرفی روانکار کاهش یا حذف تماس بین این دو سطح ناهموار از طریق یک فیلم روان کننده است.

روغن کاری یک علم غیردقیق بود که به شدت بر تجربه و تجربه گرایی متکی بود. برای اکثر کاربردها، روان کننده های همه منظوره کافی بودند. با این حال، پیشرفت‌های بزرگی در روان‌کاری حاصل شده است که ناشی از شرایط بسیار سخت در کاربردهای معاصر است.

پنج عامل اصلی وجود دارد که باید هنگام انتخاب روانکار در نظر بگیرید [2]:

1. نوع حرکت درگیر (لغزشی یا غلتشی یا ترکیبی از هر دو)
2. سرعت حرکت
3. محدوده دمای کاری
4. بار
5. محیط عملیاتی (وجود رطوبت، مواد شیمیایی یا مایعات خورنده)

شرایط فوق با تقاضای برنامه های جدیدتر سخت تر می شود. در نتیجه زمینه‌های خاصی مانند سوپرلوبریسیتی، پوشش‌های جامد، روان‌کاری زیستی و روان‌کاری مولکولی در دست تحقیق هستند.

اهمیت قبیله شناسی

تحقیق در مورد تأثیر اصطکاک و سایش و به‌طور بسط تریبولوژی بر مصرف انرژی در سراسر جهان توسط کنت هولمبرگ و علی اردمیر در سال 2017 انجام شد. مطالعه آنها بر چهار بخش عمده مصرف‌کننده انرژی متمرکز بود: تولید، حمل‌ونقل، تولید برق و مسکونی. در اینجا برخی از نتایجی است که آنها به آن دست یافتند [3]:

• تقریباً یک چهارم کل انرژی مصرف شده در جهان از تماس های تریبولوژیکی، عمدتاً در تلاش برای به حداقل رساندن اصطکاک و در ساخت جایگزینی قطعات و تجهیزات فرسوده حاصل می شود.
• اگر از پیشرفت‌های تحقیقات تریبولوژیک به درستی استفاده شود، کاهش بالقوه کل انرژی از دست رفته در اثر اصطکاک و سایش می‌تواند در 15 سال آینده به 40 درصد برسد.
• در میان چهار بخش مصرف‌کننده انرژی، حمل‌ونقل بیشترین سود را از به‌کارگیری صحیح پیشرفت‌ها در تحقیقات تریبولوژیکی (25 درصد در کوتاه‌مدت و 55 درصد در بلندمدت) خواهد داشت و پس از آن تولید برق (20 درصد در کوتاه‌مدت و 40 درصد در بلند مدت). این لیست با بخش تولید و بخش مسکونی به ترتیب با 25% و 20% صرفه جویی انرژی در بلندمدت تکمیل می شود.
• تحقیقات تریبولوژی و کاربرد مناسب آن می تواند انتشار دی اکسید کربن در سراسر جهان را به ترتیب در کوتاه مدت و بلندمدت 1.46 میلیارد تن و 3.14 میلیارد تن کاهش دهد. این کاهش در انتشار گازهای گلخانه ای همچنین می تواند منجر به صرفه جویی در هزینه ها به میزان 450 میلیارد یورو و 970 میلیارد یورو در کوتاه مدت و بلند مدت شود.

مواد مورد استفاده در تریبولوژی

مواد روان کننده ممکن است گازی، مایع، جامد یا ترکیبی از این حالت ها باشند. عملکرد اصلی آنها کنترل اصطکاک و سایش است، اما آنها همچنین به کنترل افزایش دما، به حداقل رساندن خوردگی، انتقال نیرو، شستن زباله ها، مرطوب کردن شوک ها و موارد دیگر کمک می کنند.

استفاده از روان کننده های مایع نسبتاً شناخته شده است. آنها عمدتا از روغن ها (مشتق شده از منابع نفتی، گیاهی، حیوانی و مصنوعی) ساخته می شوند. برخی از روان کننده ها نیمه مایع/پلاستیک هستند (همچنین به عنوان گریس شناخته می شوند) و همچنین بسیار رایج هستند. روان کننده های جامد کمتر رایج هستند اما در کاربردهای خاص بسیار مفید هستند. آنها به ندرت همانطور که هستند استفاده می شوند و اغلب به سایر روان کننده ها اضافه می شوند تا خواص مفیدی به آنها بدهند. نمونه هایی از روان کننده های جامد عبارتند از: گرافیت، میکا و کربنات سرب [4]. سولفیدهای فلزات نیز به عنوان روان کننده جامد از جمله سولفید بیسموت، سولفید تنگستن، سولفید مس، سولفید قلع، سولفید روی و سولفید آهن. جدول زیر فهرستی از خواص کلیدی سولفیدهای فلزی را نشان می دهد.

میز 1. خواص روان کننده های متداول سولفید فلز جامد

	Tribotecc® BIS 84 سولفید بیسموت	Tribotecc® WS 2 تنگستن دی سولفید	Tribotecc® CB 500 سولفید مس	Tribotecc® Ferrostar
نفوذ حرارتی (mm²/s)	0.252	0.58	1.343	0.25
آستانه اکسیداسیون (درجه سانتیگراد)	400	400	400	475
سهم ناپایدار (%)	0.1	0.1	0.5	0.2
نقطه ذوب (درجه سانتیگراد)	685	1250	1100	1188
ظرفیت گرمایی ویژه (J/(kg·K))	280	324	324	714
هدایت حرارتی (W/(m·K))	0.379	1.131	1.131	0.59
مقاومت الکتریکی (Ω·m)	16	0.5	0.000007
هدایت الکتریکی (S/m)	0.061	2	140000
حداکثر دمای سرویس (درجه سانتیگراد)	400	400	400	475
اندازه ذرات D90 (μm)	5	7	40
اندازه ذرات D50 (μm)	2	3	30
چگالی (g/cm³)	6.8	7.5	4.9	5

روان کننده های جامد دارای خواص و مزایایی هستند که آنها را برای کاربردهای خاص مناسب می کند که برخی از آنها عبارتند از [5]:

• آنها در فشار بالا، خلاء بالا و در دماهای بالا یا برودتی پایداری بالایی دارند
• آنها هنگام استفاده همراه با روان کننده هایی که رسانایی حرارتی بالایی دارند، اتلاف حرارت بالایی دارند.
• مقاومت بالایی در برابر سایش و فرسودگی در محیط های شدید مانند محیط های پرتابش، گرد و غبار بالا و واکنش پذیری بالا دارند.
• آنها در جاهایی که سرعت بالا، بارهای زیاد و متناوب دخیل هستند مناسب ترند
• آنها طراحی پیچیده کمتری را امکان پذیر می کنند زیرا نشت و سیستم های تحویل نگران کننده نیستند
• آنها امکان تعمیر و نگهداری سیستم و سرویس دهی آسان تر مایع، جامد یا ترکیبی از این حالت ها را فراهم می کنند.

چالش ها در تریبولوژی

یکی از چالش‌های عمده‌ای که در تریبولوژی با آن مواجه است، دید کم آن است که عمدتاً به دلیل ماهیت چند رشته‌ای آن است که به تخصص در زمینه‌های مختلف برای درک کامل تصویر بزرگ نیاز دارد. به همین دلیل، توسعه مدل‌های حل مسئله که می‌توانند به طور دقیق فرآیندهای تریبولوژیکی را پیش‌بینی و شبیه‌سازی کنند، بسیار دشوار است.

چالش دیگر پیچیدگی محض این رشته به خودی خود است. بسیاری از پیشرفت‌هایی که حاصل شده است، از روش‌های تجربی آزمون و خطا و بهبودهایی حاصل شده است که از تکرارهای آزمایشی متعدد به‌جای درک کامل و کامل مکانیسم‌های تریبولوژیکی زیربنایی حاصل شده است. راه پیش رو چیزی نیست جز افزایش تحقیقات و انباشته شدن همه زمینه‌های مؤلفه در یک زمینه به طوری که تریبولوژی بتواند به تنهایی بایستد. [6].

[1] کاتو، ک. “طبقه بندی مکانیسم ها/مدل های سایش.” مجموعه مقالات موسسه مهندسین مکانیک، قسمت ج: مجله تریبولوژی مهندسی 216.6 (2002): 349-355.

[2] لوئر، دنیس، و روانکاری KLUBER. “تریبولوژی: کلید انتخاب مناسب روان کننده.” ماشین آلات روانکاری، روانکاری Klüber 3 (2008).

[3] هولمبرگ، کنت و علی اردمیر. “تأثیر تریبولوژی بر مصرف انرژی جهانی، هزینه ها و انتشار.” اصطکاک 5.3 (2017): 263-284.

[4] ویشواکارما، سورج. “سیستم روغن کاری.” دانشگاه DIT (2015).

[5] سونیل، تکالاپالی و همکاران. “بررسی انتقادی در مورد روان کننده های جامد.” بین المللی جی. مکانیک. مهندس Techol 7 (2016): 193-199.

[6] پوپوف، والنتین ال. “آیا تریبولوژی به دوران طلایی خود نزدیک می شود؟ چالش های بزرگ در آموزش مهندسی و تحقیقات تریبولوژیکی.” مرزها در مهندسی مکانیک 4 (2018): 16.