Новая парадигма трения. Часть 2

Из цикла рассказов ЭНЕРГИЯ МИРОЗДАНИЯ
Параграф 9. Новая парадигма трения. Часть 2

МИРОЗДАНИЕ

Нестандартный подход или Новая парадигма мысли (НПМ) позволяет приоткрыть тайны мироздания. Здесь и в дальнейшем я подчёркиваю, что это субъективный взгляд на окружающий мир, какой он есть в реальности, каким воспринимаю его, благодаря многолетним наблюдениям и научным исследованиям в области трения.

В первой части были представлены теоретические основы трения в стереотипном понимании данного феномена, начиная с Леонардо да Винчи и до 70-х XX века. В противовес выдвинута Новая парадигма трения, основным положением которой является не сила трения, а ДАВЛЕНИЕ, оказываемое телом на любую контактную поверхность в состоянии покоя, статического и динамического движения.

Принципиальная разница состоит в том, что контактное трение зависит в той или иной степени от площади соприкосновения поверхностей.

Впервые о давлении писал в своих записях в XV веке Леонардо да Винчи, но его учение воспринималось последователями избирательно, пока наконец в 1976 году И.В.Крагельским не было введено понятие “фактической площади контакта” для шероховатых поверхностей (его модель представлена на рисунке вверху слева).

Поскольку во второй части рассказа я уже не буду обращаться к стереотипам и учебникам по трибологии, на приведенных к тексту рисунках я поместил несколько фото, графиков и картинок без указания номеров рисунков. Здесь подробности и описания научной стороны вопроса ни к чему.

И лишь на одном (главном) Рисунке 1 показана схема капиллярной структуры для фрикционного контакта – это и есть основа нового направления для изучения и резкого уменьшения (рассеивания в поверхности) энергии трения, на создание которой и научные исследования в общей сложности было потрачено 13 лет. Но и после этого, по мере изучения вопросов взаимодействия энергетических потоков и перераспределении энергии в поверхностях трения, результаты моих изысканий пополняются всё новыми и новыми сведениями.

Все научно-исследовательские работы до 2009 года проводились в лаборатории моей частной внедренческой фирмы, а в 2009-м по контракту – в Германии, в Бранденбургском техническом университете. Поэтому под некоторыми рисунками и графиками можно увидеть надписи на немецком языке.

Я благодарен украинским и немецким коллегам, которые помогли и включились в проведение экспериментальных работ, – Dr. Ing. O.Antoshkiv, Prof. Dr. Berg, Ing. O.Mukha, Prof. O.Mysak, а также Herr. Krautz из организации CEBra e.V, как и непосредственному специалисту-исполнителю из лаборатории Бранденбургского технического университета Ing. Christoph Fr;hner, защитившему в результате по данной тематике диплом инженера.

Я очень благодарен моему партнёру А.Г.Кесарийскому, учёному-исследователю, в лаборатории которого проводились эксперименты и изучение макронеровностей поверхностей трения методом лазерной интерферометрии. Он – мой соавтор в международной патентной заявке «Плунжерная пара» (Plunger Pair), изобретение относится к области двигателестроения, а конкретно к топливной аппаратуре, где наносится покрытие на контактирующие поверхности составом ультрадисперсного фторопласта, наночастицы которого проникают в рельеф деталей.

Конечно, при изучении трения необходимо учитывать не только микронеровности (шероховатости) поверхностей, а и макронеровности, распределение нагрузок по которым происходит самым причудливым образом! Так, изменение геометрии зеркала цилиндра двигателя внутреннего сгорания, например, от деформации при затяжке болтов групповых резьбовых соединений между головкой цилиндров и блоком, оказывает в итоге сильное влияние на трение поршневых колец о стенки цилиндров. На рисунке помещена не только картинка, как выглядит в реальности деформация цилиндра при затяжке трёх болтов, но и панорамная развёртка интерферограммы, полученная при усилии затяжки с моментом 1 кГ*м.

Сравнивая теоретическую схему взаимного внедрения выступов шероховатостей  в парах трения по И.В.Крагельскому с реальным распределением нагрузок во всех механизмах и машинах (сравните эти два рисунка), становится понятным, что эффективное решение по преодолению трения нужно было искать не в отдельном контакте трущихся поверхностей, а во всей совокупности влияющих факторов на энерго-механическую систему.

В результате имеем то, что имеем! Сегодня многие учёные убеждены в том, что в механизмах и особенно в тепловых машинах достигнут некий предел по снижению потерь на трение! Они, видите ли, уверены, что этот предел преодолеть нельзя, а попросту – не видят возможных путей для устранения проблемы трения!

Куда там до цифр, обозначенных Леонардо да Винчи (четверть потерь на трение!) Сегодня в двигателях внутреннего сгорания считается хорошим достижением эффективности – до 40% при потерях на тепло – свыше 60%!

В диссипативных же системах, коими являются не эффективные отводы тепла от поверхностей трения, а создание условий, чтоб тепловые потери на трение не возникали вообще(!), по моему утверждению минимальная эффективность любых тепловых машин должна составлять не менее 85%! И это – далеко не предел!

В рисунках-графиках, которые здесь я впервые публикую для массового читателя, наглядно видно, насколько эффективно оказывается использование капиллярных структур в узлах трения. На одноцилиндровом английском двигателе на стенде был получен ошеломительный результат – повышение эффективности мотора в целом на 10%! Причём, открою «тайну», – 5% повышения эффективности было достигнуто за счёт применения состава ПТФЭ (PTFE SUPERLINE) в масляной системе, а ещё 5% – в топливной аппаратуре!

Я упоминал в рассказах о показательном (ручном) стенде, который брал с собой на международные выставки для демонстрации эффективности от использования состава SUPERLINE на образцах трения. Фото этого стенда представлено вверху на рисунке справа. Под ним фото аналогичного стенда для замеров статического трения, изготовленного в Германии. На двух графиках ниже – результаты замеров эффективности от применения состава ПТФЭ в парах трения.

С помощью данных замеров установлен прирост эффективности в зависимости от оборотов электродвигателя в пределах от 400 об/мин до 1800 об/мин, он составил от 15% при больших оборотах до 32%(!) при малых.

Ну и что с того? – спросит дилетант. А это ни много ни мало составляет экономию в энергетических затратах (киловатт) в среднем 3%!

То есть, для любых механических систем и тепловых двигателей использование капиллярных структур трения даёт даже без изменения конструктивных размеров и принципов работы механизмов и машин прирост энергоэффективности от 3% до 10%! Там где трение используется в качестве передачи энергии движения, состав SUPERLINE неприменим (автоматическая коробка передач, волновые двигатели).

Должен здесь отметить о тенденциях в мире, что наметились сегодня в связи с глобальным потеплением на Земле, в том несомненно повинно человечество, не только вмешивающееся в сбалансированную энергетическую среду планеты, но и загрязняющее природу нещадно.

Побывав на нескольких международных выставках и конференциях в Европейских странах, в Канаде и США, я получил и опыт, и что называется «прозрел».

Во-первых, перепроизводство «загоняет в тупик» экономику передовых стран из-за отсутствия рынков сбыта. Если раньше (в середине XX века) был тотальный дефицит и на первый план, особенно в соцстранах, выдвигалась эффективность и надёжность работы механизмов и машин, то нынче такой подход утерян.

В европейских государствах уделяют ещё большое внимание качеству, так как это есть единственное (вынужденное) конкурентоспособное, удерживающее на рынке товаров и услуг, условие – в противовес наводнения рынка дешёвыми китайскими и корейскими товарами. Но особенно меня поразило следующее.

Будучи на выставке в Штутгарте, а затем в Париже, где демонстрировались все новейшие на то время достижения (2008-2009 годы), я обратил внимание на то, что в Европе «прижилась» китайская система производства и сбыта товаров. Она основана на том, что например некий механизм или автомобиль должен проехать или прослужить ровно столько, сколько ему предписано гарантией производителя!

Удивительно, никто уже не «борется» за десятки тысяч часов работы механизмов или за миллионы километров пробега авто, а все схемы испытаний настроены на то, чтоб проблемы с эксплуатацией новых машин начались сразу по окончании срока гарантии! То есть, понятие «надёжности» машин отныне не существует!

Соответственно, владельцы авто в Германии уже давно знают, когда и почему надо поскорее избавиться от своей «новенькой» машины, и стараются поменять с заканчивающимся сроком гарантии (через каждые 2-3 года) на абсолютно новую!   

Во-вторых, никто в мире (как в постсоветских странах) не ремонтирует вышедшие со строя узлы, механизмы, двигатели, – их меняют как лампочки! Однако, легче купить новый авто (дешевле выйдет), нежели заменить «агрегат» в этом же авто.

Новые автомобили и прочая тяжёлая техника буквально заполонили стоянки в США – например, японские авто в Нью-Йорке – от горизонта до горизонта!

В новых механизмах и машинах, покуда действует гарантия производителя, речь, естественно, не идёт об улучшении мотора, повышении эффективности и т.д.

Соответственно, и производителям и потребителям, грубо говоря, “наплевать” на новинки и чудеса науки и техники! Потому весь автомир «погряз» в конкуренции, ориентированной скорее на новые «бренды», бесконечные усовершенствования дизайна или “тюнинга”, и это даёт немалые, но мимолётные преимущества.

Следующей тенденцией стал «переход» на электрокары (электромобили), но в плане мировой энергетики и загрязнения окружающей среды это мало что даёт! Как сказал в своё время Михайло Ломоносов: «Где чего убудится – в другом месте прибавится»

Это означает, что общий энергетический баланс при переходе на электроэнергию вместо «чёрного золота» и газа, может создать видимость, что загрязнений природы или выбросов в атмосферу станет гораздо меньше. Ничего подобного!

Если не переводить экономику государств на получение электроэнергии сугубо из природных источников (солнечные батареи, ветровые станции, энергия морских волн и тому подобное), то энергетические затраты (сжигание невозобновляемых источников энергии – угля, нефти, газа) останутся прежними или даже возрастут!

Об атомных станциях – отдельный разговор, о них я упоминал в других рассказах.

Что касается смазочных материалов для механизмов и машин, – с расширением сферы деятельности человечества потребность в них будет неуклонно расти. Вот почему я считаю необходимым и основным направлением перевод механизмов и машин на применение капиллярных структур трения и диссипативных систем, где эксплуатационная эффективность (снижение затрат + долговечность) возрастает более, чем в 2 раза!

У меня нет цели в данном рассказе перечислять все опыты и эксперименты, что проводились из года в год. На самом деле – это займёт большой список, что будет похоже скорее на бахвальство с моей стороны, хотя, надо отметить кропотливый труд моих сотрудников, которые обобщали исследовательскую статистику. Были натурные испытания тракторов и другой сельскохозяйственной техники, рессор на механическом заводе, нанесение покрытий на валы вместо хрома для нефтяных скважин и многое другое. Даже испытание предлагаемого компактного двигателя Фролова для предполагаемого «Ё-мобиля» проводилось с применением состава ПТФЭ. Но больше всего испытаний проводилось на частных легковых авто.

На бытовом уровне я также получаю эффект от применения состава SUPERLINE – прежде всего это мне даёт бесперебойную работу дешёвых некачественных китайских товаров – насосов, генераторов, двигателей, минитехники и проч. – не имею никаких проблем, эксплуатируя годами в сырых местах без замены смазки.

Однажды мне под руку попал старый ржавый грязный подшипник (кто-то выкинул), и оттого неподвижный. Я сам не поверил своим глазам, когда этот подшипник у меня закрутился как новенький ровно через 15 минут! Естественно, я его сначала окунул в концентрированный состав ПТФЭ, затем со скрежетом провернул двумя плоскогубцами (сдвинул с места). А уже процесс «туда-сюда» длился не долго, – покуда с него выливалась ручьями вся ржавчина.

Бытовые случаи покажутся никчёмными, однако опыт очень бы пригодился при эксплуатации ветроагрегатов на ветровых станциях и везде, где подшипники в неблагоприятных погодных условиях должны крутиться, а не простаивать.

Осталось пояснить, причём тут пластмассовая щётка, – верхнее фото на рисунке.

Дело в том, что с подобной щётки начинается изучение диссипативных систем! Не думайте, что это очередная теория – место имеет быть сплошная практика!

Помните, в первой части данного рассказа я поместил стальную иглу меж двух тел? Тем самым, я подчеркнул, как действует давление от нагрузки на единичную точку. Не подставляйте свою ладонь под нагруженную иглу – вмиг проткнёте!

Припоминаете йогов, лежащих на гвоздях? Они (йоги) – хитрые, распределяют свой вес на острые точки равномерно, и если гвоздей много, то даже не чувствуют неудобств. В канадском Монреале я был в техническом музее, где есть три стула с гвоздями. В каждом из них – разное количество гвоздей и разные расстояния между ними. Конечно же, я опробовал каждый стул, почувствовал себя йогом!

Получил приятный массаж, а заодно и понимание, как нужно ставить эксперимент для наиболее быстрого и качественного получения замеров в диссипативных системах трения. Щётку можно брать не обязательно пластмассовую – можно металлическую или специальное устройство, каких я смастерил не много, но их с лихвой хватило для того, чтобы в полной мере проверить задуманное.

Устройства простейшие, – дощечки с множеством ввинчиваемых винтов. По сути, мне нужно было проверить деформационную составляющую трения от давления нагружаемой системы и исследовать степень износа (излома) винтов. Известно было, что износ пропорционален объёму взаимного внедрения шероховатостей.

Важно только подобрать соответствующие материалы для эксперимента. Как ни странно, необычный профиль пластмассовой щётки идеально подходил из-за её малого собственного веса, довольно прочной щетины в своей массе и, наоборот, очень неустойчивой к изгибам каждой щетинки по отдельности.

Не буду утомлять описанием самого эксперимента, проводимого по схеме (Рис. 5, часть 1), – при одном и том же весе щётки на разных сторонах трение отличалось в разы! Замер же проводился лишь по одному параметру – размер h страгивания при продольном и поперечном расположении трущихся поверхностей.

Уникальность данного подхода в том, что убирая (вырезая) последовательно из общей массы щётки отдельные щетинки (как угодно – рядами или в разброс, но только кончики, чтоб не менялся вес), сразу меняется распределение давления и само давление от трения щетинок о контактную поверхность заметно растёт!

Уменьшая опорную площадь фактического контакта, я наблюдаю, как разброс усреднённых значений числа h (т.е. при каждом сокращении щетинок в контакте) возрастает в 1,5; 2; 2,5; 3 и так далее раз! Усердие в опыте не помешало!

И это только начало! Потому что, проделывая последовательно одни и те же манипуляции с отрезанием кончиков щетинок и замерами значения h, уже при 100 оставшихся щетинок давление на них выросло в 40 раз, а при десяти – в 400 раз!

Когда я оставил для устойчивости только 4 щетинки, разница в давлении от первоначального значения изменилась в 1000 раз!

Я конечно перепроверил всё неоднократно и пересчитал полученные результаты. Если вес пластмассовой щётки равен 0,1 кГ (сила тяжести 0,1 Н), то на разные стороны приходится разное давление: на ту сторону, что без щетинок (площадь которой равна 4 см2), приходится 250 Па; если же измеряю давление на четырёх оставшихся щетинках, то на контактную поверхность приходится 250 кПа!

Для сравнения, гусеничный трактор, (вес его несравним с весом пластмассовой щётки) оказывает на почву давление 40-50 кПа (справочные данные).

И ещё одно важное сравнение: я пересчитал оказываемое давление иглы, что представлено в схеме (Рис. 3, часть 1) и сравнил его с давлением такого же груза, установленного без иглы (Рис. 2, часть 1), и оказалось, что давление в контактной точке (Р = 1 кГ) составляет 10 000 кПа! А давление на поверхность без иглы (площадь которой равна 50 см2) – 200 Па, то есть разница в 50 000 раз!

Когда я пересчитал в тех же двух схемах (Рис 3 и 2, часть 1) разницу давлений на опорную поверхность (N = 10 Н), то получил разницу меньше – в 8334 раза! Да, но именно в 8334 раз отличается и коэффициент трения покоя в этих двух схемах!

А теперь, если вспомнить слова Боудена, что я привёл в первой части рассказа, да представить не так, как представляют теоретики (“наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевёрнутые австрийские Альпы ; площадь контакта оказывается очень малой”), а сравнить с реальной картиной трения? Что же тогда получится?

А получится так – две одинаковые пластмассовые щётки размещаем одну над другой щетинами, то есть положим одну щётку на другую так, чтобы щетины обеих щёток врезались друг в друга и составили общую поверхность соприкосновения, после чего попытаемся сдвинуть одну щётку относительно другой: тут нам всем и откроется, хоть весьма в упрощённом виде, но реальное взаимодействие тел при трении. И здесь я говорю всего лишь о деформационной составляющей трения!

Мне абсолютно ясно, контактное давление столь огромно, что «пики» работают на излом и оказывают сопротивление взаимному движению тел! Утверждение же теоретиков, что деформационная составляющая трения – на два порядка меньше адгезионной (молекулярной), с моей точки зрения неправомерно, ибо я только что показал, как в реальности всё происходит!

Согласно Новой парадигме, контактное давление может быть настолько велико (на два-три порядка выше адгезионной составляющей трения), что материал не выдерживает удельной нагрузки и разрушается, – поэтому наблюдается не только деформация “горных пиков”, но и их “разлом”. Частицы материала откалываются от основной поверхности, продолжая «работать» своими острыми гранями с немалыми контактными давлениями (абразивный износ).  В первоначальный момент (при откалывании) частицы будут остроконечными, и в контактной зоне давление остаётся высоким, хотя возросшее количество острых граней сразу резко увеличивает площадь соприкосновения и поэтому снижается опорное давление (контактное давление распределяется по всей площади соприкасающихся точек, учитывая отколовшиеся частицы с поверхности основного материала). При этом наблюдается некоторое снижение коэффициента трения. Затем происходит измельчение абразивных частиц, сглаживание острых шероховатостей соприкасающихся поверхностей и увеличение контактной площади, что приводит к дальнейшему снижению контактного давления в зоне трения и проявлению упругой деформации “сглаженных пиков”. Одновременно модуль деформационной составляющей коэффициента трения снижается, а адгезионной составляющей – увеличивается. 

ОРИГИНАЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ VII

ВО ВСЕХ СЛУЧАЯХ С ТРЕНИЕМ РЕЗКОЕ УМЕНЬШЕНИЕ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ (УВЕЛИЧЕНИЕ КОНТАКТНОГО ДАВЛЕНИЯ) ЯВЛЯЕТСЯ ИСТИННОЙ ПРИЧИНОЙ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ (!), ТО ЕСТЬ, КОГДА НАГРУЗКА (ВЕС, СИЛА ТЯЖЕСТИ) НЕ МЕНЯЕТСЯ.

Когда вступают в действие адгезионные и когезионные силы трения наблюдается сначала прекращение снижения коэффициента трения, а затем коэффициент трения начинает резко возрастать.

Согласно новым представлениям (Новой парадигме) – чтобы бороться с трением эффективно, нужно не допускать проявления адгезионных и уж тем более, когезионных сил (!) То есть необходимо создавать такие структуры трения, при которых коэффициент трения – остается минимальным.

При создании конструкций разработчики постоянно сталкиваются с необходимостью ограничения контактного давления для поверхности трения путем снижения нагрузки, либо распределяя её по большей площади!

Например, конструктор вынужден менять шариковые подшипники качения на роликовые или даже на подшипники скольжения, особенно в высоко нагруженных узлах трения, хотя коэффициент трения при использовании шариковых подшипников примерно в 10 раз ниже, чем для подшипников скольжения при одинаковых гидродинамических условиях смазки.

Согласно же Новой парадигме при создании диссипативных систем трения можно будет не "сглаживать" остроконечные “горные пики”, а резко увеличивать их количество(!), что позволит рассеивать поверхностную энергию трения таким образом, чтобы поверхностью тела воспринимались очень большие (расчётные) нагрузки!

Остаётся лишь подобрать материалы для создания диссипативной системы, в которой “горные пики” принимали бы нагрузку и при этом сами не скалывались.
 
Таким образом, только правильно понимая глубину физической сути явления трения и прямую зависимость коэффициента трения от контактного давления, можно создавать новые теории и структуры трения, предлагать и рассчитывать наиболее рациональные площади поверхностей для диссипации энергии при высоких нагрузках с помощью математических расчётных моделей.

Природа сил трения одинакова – при гидродинамическом скольжении, при механической обработке резаньем (например, при сверлении, точении, шлифовании), при уплотнении поверхностей взаимодействующих тел, при использовании фрикционных механизмов и т.д.

Здесь я могу привести множество известных примеров, когда именно изменение контактного давления играет решающую роль в столь знакомых нам случаях, неразрывно связанных с трением: резкий толчок при старте спортсмена, вираж на горных лыжах, резкая остановка конькобежца, скатывание на санях с горы, – это только малый перечень.

Приведу лишь один характерный пример: саночник съезжает с горки и попадает на гладкую ледяную поверхность. За счёт силы трения скольжения он остановится через некоторое расстояние (естественно, в этом случае адгезионные силы меж металлическими полозьями саней и льдом не действуют). Если теперь в этом эксперименте каждый раз после скатывания с горки разворачивать сани поперёк движения (полозья саней не должны иметь режущих кромок, – они должны иметь радиусы скругления), то несмотря на абсолютно одинаковые условия (площадь контакта, скорость движения, нагрузка), саночник будет проезжать меньшее расстояние. Причем так будет повторяться всегда, т.е. во всех ста случаях из ста возможных(!), хотя в данном эксперименте не меняется даже опорная площадь полозьев санок.

Очевидной причиной является изменение силы трения (коэффициента трения) от возрастающего давления: при значительном увеличении линии поперечного сечения в направлении движения санок возникает много макронеровностей, несмотря на гладкую поверхность льда (незаметные для наблюдателя, но реально существующие бугорки), на выступах которых (в зонах контакта, т.е. на каждом встречающемся бугорке) резко возрастает мгновенное контактное давление, влияющее на замедление движения санок и, в конечном счёте, уменьшается расстояние до полной остановки. Другими словами, при поперечном расположении саней саночник преодолевает больше препятствий (т.е. больше бугорков, – точек или пятен контактного давления, или, что то же самое, удельной силы, вызывающей мгновенное схватывание в зоне контакта при трении полозьев саней об лёд).

Аналогичные условия изменения коэффициента трения можно обнаружить при увеличении нагрузки, например в гидродинамических условиях трения металлических поверхностей, когда при недостаточном смазывании происходит схватывание (сваривание, наклёп) в контактных зонах по выступам макронеровностей, что приводит, в конечном счёте, к заеданию, перегреву, остановке, либо к поломке узла трения.
 
Я вспоминаю случай из собственной практики, о котором уже упоминал в другом рассказе. При проведении испытаний мотора МеМЗ для автомобиля Тврия-1102 на стенде мелитопольского завода в масляной системе использовался состав SUPERLINE, который успешно отработал на всех режимах нагрузки согласно методики испытаний. Все показатели двигателя по эффективности работы улучшились (в сравнении с традиционным моторным маслом).

Однако руководство КБ (это было после развала СССР в 2000 году, когда велись переговоры, к какому зарубежному инвестору податься) не было заинтересовано во внедрении новинки. Поэтому испытатель, получивший распоряжение от своего начальства, преднамеренно нарушил методику испытаний, и при максимальных оборотах работы и нагрузке двигателя «гонял» мотор не 5 секунд по методике, а «до поломки» (до “схватывания” одного из вкладышей коленчатого вала).

Этот испытатель мне потом сам втихаря признался, когда в протоколах испытания были отражены “недочёты”, из-за которых внедрение новинки было отклонено. 
 
Это не было халатностью испытателя. Я как инженер-ракетчик, проработавший много лет в оборонной промышленности СССР, понимал, что даже при испытании ракетных двигателей в случае каких бы то ни было отклонений параметров или даже в случае отказа в работе двигателя, создаётся специальная комиссия и в её присутствии проводятся повторные испытания на удвоенном количестве изделий.

Поэтому эдакая наивность со стороны руководства КБ на Мелитопольском заводе меня нисколько не удивила. Зато я получил прекрасный результат исследований, так как состав SUPERLINE работал на режимах при перегрузках мотора Таврии: непрерывная нагрузка (обороты на стенде) соответствовала скорости 125 км/час!

Диву даёшься, когда испытываешь радость от «отрицательного» результата!

Видел я «поломку» – тот самый вкладыш, который сняли с двигателя, приложив к отчёту испытаний. Да, действительно, в вопросах трения необходимо учитывать и такие моменты, когда не только влияют шероховатости и макронеросности, а ещё перегрев системы смазки, который приводит к дисбалансу (схватыванию), когда возникают дополнительные колебания и вся система «идёт в разнос».

И тем не менее, если б я до этого не проводил ходовые испытания на авто со снятым масляным поддоном (то есть без масла), на котором гоняли по пыльным дорогам и который выдержал испытания(!) благодаря работе состава SUPERLINE, я быть может и не рассказал бы об этом тому самому руководству КБ завода!

К тому же, не преминул напомнить и о том, с какой целью были придуманы для двигателей вкладыши, – их замена сравнима с заменой сгоревшей лампочки!

Кстати, разработчик вкладышей, с которым мне посчастливилось в дальнейшем познакомиться (уникальный изобретатель из Николаева В.К.Фролов) и некоторое время сотрудничать, рассказал с каким упорством «продвигал» в годы СССР это изобретение! Его не принимали к внедрению моторостроительные заводы, боясь остаться без работы! Настолько перспективным казался данный конструкторский приём, который позволял справиться с проблемой трения: поломкой, устраняемой заменой вкладышей на коленчатом валу в считанные минуты!

Необходимо отметить, что идеально ровной поверхности, как и идеальной геометрии тел не бывает, потому что под действием различных сил происходит деформация поверхностей, что неизбежно приводит к образованию локальных зон (типа выступов) с повышенным контактным давлением трения.

Именно в этих зонах наиболее вероятно возникновение мгновенных скачков давления (точечных контактов) до очень значительных величин, что может влиять в достаточной мере на дисперсию коэффициента трения. Неоднородность напряженно-деформированных состояний материала и совокупность геометрий дефектов шероховатостей (типа впадин) очень широка для реальных поверхностей трения, что также порождает концентрацию напряжений в ближней окрестности участков неконтакта. Нужно иметь ввиду и возможность содержания жесткопластических включений при определении напряженно-деформированного состояния упругой области материала.

Дисперсию коэффициента трения, связанную с изменением контактной площади необходимо учитывать во многих реальных процессах для расчёта изнашивания поверхностей, при этом необходимо научиться правильно определять контактное давление на макро- и микроуровнях шероховатых поверхностей, что не так уж и легко(!)

Я уже не лезу здесь в такие «дебри», что разброс значений коэффициента трения является возможной причиной и других аномальных явлений в технике, например, таких как дисперсия теоретических и экспериментальных значений механического эквивалента теплоты.

В этом рассказе я стараюсь как можно более подробно описать явление трения, однако считаю наиважнейшим моментом не раскрытие «тайн», связанных в некой необъяснимостью кажущихся парадоксов трения, а хочу максимально приблизить читателя к мысли о том, что согласно Новой парадигме уже созданы действующие для реальных условий управляемые диссипативные системы трения.

А это означает, что можно уже не просто преодолевать трение, но и предсказать, сколько энергетических потерь расходуется на трение с выделением тепла!

Внедрение таковых систем в автопромышленность или другие сферы экономики даже в самых развитых странах зависит лишь от желания человечества строить или тормозить развиваемый прогресс.

Исключительным в Новой парадигме является сам принцип подхода к вопросу о трении: не «бороться» с данным явлением, а не создавать проблем, связанных с трением и, наоборот, с максимальной пользой использовать трение как таковое.

Такой подход и новый взгляд на явление трения нужно рассматривать как работу ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ и диссипацию нагрузки в безызносных системах, что позволяет создать качественно новый уровень в трибологии (т.е. здесь уже не требуется повторять работы предшественников и рассматривать явление трения как распределение чисто механической энергии при решении контактных задач).

Проведенный тщательный анализ по результатам испытаний позволяет показать насколько принципиально меняется картина трения при создании капиллярных структур и главные отличия от «граничного» трения и от систем избирательного переноса, нашедших своё распространение в конце XX века, но всё ещё не позволяющих полностью удовлетворить повышенным требованиям «борьбы» с трением и износом, особенно при высоких нагрузках в современных условиях.

Для меня главным направлением исследований трения было не создание какой-то “новейшей” теории о капиллярных структурах и диссипативных системах, а практическое научно обоснованное использование в действующих механизмах и машинах состава SUPERLINE, производство которого было освоено в 1996 году на моём частном предприятии. Действительно, внедрение новинок часто связано с параллельным ведением длительных научных исследований.   

Мне не хочется вдаваться в подробности о сложностях, кои приходилось в каждом конкретном случае преодолевать (кое о чём ведь я уже поведал), но считаю здесь необходимым подчеркнуть, что большинство Заказчиков содействовали, либо снисходительно относились к взаимовыгодному сотрудничеству.

Ведь, действительно, использование Заказчиками наших разработок в технике приносило определённые выгоды и экономию энергоресурсов, – топлива, масел, эксплуатационных затрат. Конечно, здесь нет смысла приводить всевозможные технические параметры, на которых проверялся эффект и были получены выгоды – например, как повышение эксплуатационной мощности сельскохозяйственной техники или крутящего момента на выходном валу.

Приходилось попутно выдерживать конкуренцию по отношению к использованию других антифрикционных систем и материалов, которых на рынке ныне имеется огромное количество. Заказчики сами выбирают, что им более выгодно.

Я уже рассказывал, как на международных выставках основной нашей “фишкой” являлся показ на ручном стенде, как работают те или иные материалы. Такую же сравнительную демонстрацию приходилось устраивать и у Заказчиков. Ведь не каждый из них мог разобраться в сплошном информационном потоке, где каждый производитель хвалит только свою продукцию.

Но специфика Новой парадигмы ещё заключается в том, что в ней используется комплексный подход! То есть, я не привязываюсь в составу SUPERLINE как к самому лучшему (в мире) – это абсурд! В системе трения я использую различные материалы, в том числе и от других производителей!

Этот подход мне напоминает больше всего совершенно иную область, которая широко используется человечеством – стоматология. Там избирательный подход к каждому пациенту, и курс лечения или восстановления назначается к каждому зубу или зубной группировке (мосту, челюсти) индивидуально!

В системе трения, используемой в механизмах и машинах, невозможно подобрать или испытать все выпускаемые материалы, даже новинки зачастую повторяют и ненамного превосходят по своим свойствам иные, поэтому сколь увлекателен комбинированный путь исследования всего нового, столь и утомителен. Потому и здесь был применён специфический подход – подбирались материалы из числа лучших, соответствующих диссипативным системам и капиллярным структурам.

Что я имею ввиду? Комбинированное покрытие! Ведь в конечном счёте любая поверхность трения диссипативной системы должна иметь прочную, долговечную и, главное, обладающую минимальным коэффициентом трения структуру.

У меня никогда не имелось цели, и задач таких не ставилось, чтобы материалы разбивать на группы, подгруппы, классифицировать каким-то образом, – изучить рынок быстроменяющейся номенклатуры нереально. Да и не требуется.

Среди попавшихся под руку препаратов, различных добавок к маслам и проч. мне достаточно легко было выявить те, которые наилучшим образом сочетались с ПТФЭ. К тому же, к диссипативным структурам идеально подходят пористые материалы и покрытия. Просто из них выбирались такие, которые удобнее было применять для тех или иных узлов трения или контактных поверхностей.

Если это механизмы машин, труднодоступные поверхности внутри узлов трения, то, естественно, использовались только жидкие препараты. Кстати, наш материал ПТФЭ не бывает в природе в жидком агрегатном состоянии, – искусственно был создан комбинированный состав суспензии в масле, для дозированной доставки наночастиц ПТФЭ к поверхности трения.

Специфика подбора комбинированных материалов довольна проста, требует лишь понимания, что и для чего применяется. Многие материалы перепроверены на ручном стенде (экспресс-анализ) и в научных лабораториях, из них отобраны только подходящие для уменьшения трения в искомой комбинации.

Например, в трибологической лаборатории института проверялись между собой четыре разных препарата из США, Англии, России и сравнивались с SUPERLINE по износостойкости, способности сопротивлению задиру материала и снижению механических потерь на трение. Также проверялись свойства полусинтетического, синтетического и минерального масел и различные комбинации препаратов с этими маслами под действием нагрузок.

Не буду утомлять описанием методики исследования, проведения испытаний и приводить графики и гистограммы, и тем более здесь не стоит забивать голову излишними подробностями, изложенными в итоговом отчёте. Главное совсем не в том, чтобы сравнить показатели свойств материалов, а в том, чтобы понять их пригодность и место в комбинаторике.

Надо отметить, что сам материал ПТФЭ, хоть и имеет самый низкий коэффициент трения, уступает в силу своих специфических особенностей другим материалам (так как весьма пластичен). Но Английский PTFE SLIDER имеет хуже показатели и уступает ПТФЭ SUPERLINE. Всё дело в размерах частиц ПТФЭ и, соответственно, в возможностях проникновения в структуру металла при нанесении покрытий.

Американский ER превосходит по износостойкости и великолепно полирует при трении поверхности, но значительно уступает по значению момента трения. Его я применяю при необходимости получения зеркального блеска на поверхности. Но в диссипативной системе этот материал неприменим.

Российский РиМет содержит частички меди, он (как и дисульфид молибдена) не используется в капиллярных структурах, хотя по моменту трения имеет даже чуть лучшие показатели за счёт пластинчатой структуры, чем у ПТФЭ, этот материал препятствует контакту трущихся поверхностей. Однако РиМет не обладает износостойкостью по той же причине – из-за пластинчатой структуры.

В трибологии считается, что разрушение трущихся поверхностей деталей может происходить и без разрыва тонкой плёнки смазки в результате многократного взаимодействия шероховатостей поверхности. Переход к гладкой поверхности при граничной смазке вызывает масляное голодание и схватывание в зоне контакта. В капиллярной структуре трения возникновение масляного голодания невозможно априори из-за образования мениска при лиофобности ПТФЭ.   
 
По той же самой причине лиофобности материала ПТФЭ минеральное масло в сочетании с составом SUPERLINE работает в гидродинамических системах как полусинтетическое масло (по скорости износа), а по моменту трения сочетание SUPERLINE + минеральное масло превосходит даже синтетическое масло!

К тому же, как показывают натурные испытания автомобилей, состав SUPERLINE как самостоятельное покрытие на контактных поверхностях может работать при умеренных нагрузках вообще без масла! Однако, я ни в коем случае не говорю о том, что можно ездить на авто без масла, так как без теплоотвода с поверхностей трения всё же не обойтись!

Другое дело, периодичность замены отработанного масла на свежее может быть по срокам увеличена. В узлах трения, где применяются густые смазки, уже давно существуют так называемые «долговечные» системы, в которых гарантированный срок эксплуатации превышает общий срок службы механизмов и машин.

Применение в таких узлах материала ПТФЭ способствует уменьшению трения и снижению механических потерь на трение на 60% (отчёт специализированной лаборатории ХГАДТУ – Харьковского Государственного автомобильно-дорожного технического университета, 1999 г.)

Мне остаётся пояснить Рисунок 1, где представлена капиллярная структура на поверхности трения. Конечно же, назойливый читатель попытается выяснить для себя главный вопрос – как собственно получить такую структуру на практике?

То есть надеется на то, что в данном рассказе я раскрою «ноу-хау»

Этого не произойдёт по двум причинам. Во-первых эта информация закрыта для распространения, а во-вторых, как показывает мне мой опыт, недобросовестных учёных и исследователей хватает, которые “выхватывают” то там, то сям новизну и бегут в патентное бюро, чтоб оформить авторство.

Однако, рисунок 1 я поясню следующим образом. Он состоит из двух – верхнего и нижнего, верхний – мой, нижний – выполнен немецким студентом-испытателем Ing. Christoph Fr;hner в дипломной работе (Abb.2.1: Wirkprinzip NanoVit).

Даже с виду понятно, что принцип упорядоченного расположения наночастиц в немецком восприятии реальности не соответствует капиллярной структуре, что показан в моём исполнении. Я это сразу обнаружил, но поправлять студента не стал. Так он и защитил диплом с неверными представлениями исследований, в которых принимал самое непосредственное участие.

К тому же в самой дипломной работе в теоретической части, как и следовало ожидать, указаны формулы сил трения, взятые из немецкого учебника, где уже фигурирует контактное давление. А чтоб в законе Амонтона-Кулона оставался коэффициент трения безразмерной величиной, введён ещё один дополнительный коэффициент – пропорциональности силы сопротивления трению и суммарной контактной площади поверхности (на рисунке И.В.Крагельского эта суммарная контактная площадь обозначена как Vвв.)

Опять таки, такой скудный математический приём напоминает мне подгонку, ибо не раскрывает сути коэффициента трения при контактном давлении. Поэтому в одной из своих научных статей мне пришлось заняться и этим несоответствием, и для простоты и ясности показать, как обстоит дело в реальном трении.

Я выразил зависимость коэффициента трения от площади соприкасающихся тел через контактный коэффициент, физическая суть которого очень проста: это есть количество контактных зон (точек) соприкосновения при динамическом трении, отнесённое к средней контактной площади этих же зон (точек).

Мой подход подтверждён результатами вышеприведённых опытов с щётками, что были с надлежащей тщательностью изучены и в данном рассказе описаны.

На самом нижнем рисунке справа показан график гиперболической зависимости давления трения от площади соприкосновения поверхностей и одновременно от количества зон (точек) соприкосновения.

Но вернусь к рисунку 1, его описанию. Конечно же основной элемент структуры – это капилляры, которые препятствуют возникновению когезионных и адгезионных сил. Соответственно, не возникает ни сил Ван-дер-Ваальса, ни эффекта Магнуса, ни потенциала Леннарда-Джонса в молекулярной динамике при взаимодействии тел с гидродинамическим трением, ни других изученных «таинственных» сил.

Все расчёты движения рабочей жидкости в зоне контакта производятся как для гидравлического истечения ламинарных потоков в трубах одинакового сечения, учитывается напор и размер “а” межкапиллярного зазора (Рис. 1).

Всё, что нужно знать о природе капиллярного трения, – образование менисков на опорной поверхности, количество которых пропорционально количеству опорных контактных зон (точек, мгновенно задействованных во всех капиллярах).

Такую поверхность, состоящую из капилляров и менисков, можно представить в виде бильярдных шаров, плотно уложенных по всей поверхности бильярдного стола. При этом если у каждого бильярдного шара появится возможность ещё и пружинить от поверхности стола, поднимаясь и опускаясь на незначительные расстояния вверх-вниз под действием давления скользящего поверх всех шаров тела, – это и будет наиболее наглядный пример действия капиллярной структуры.

Действительно, в капиллярах находится рабочая жидкость – это может быть вода или моторное масло, смазывающе-охлаждающая жидкость и проч.

Используя Новую парадигму трения, можно создать математическую модель и рассчитать необходимое количество контактных зон (точек) для обеспечения восприятия необходимых нагрузок, – таким образом, можно решать обратную задачу трибологии, создавая узлы трения с заданными расчётными нагрузками.

Выше я не случайно приводил цифры по контактному давлению в одной точке по сравнению с давлением на плоскую опорную поверхность, резко отличающимися по модулю. Увеличением контактных зон (точек) можно рассеивать значительные поверхностные нагрузки, – в тысячи раз большие, чем при деформационном трении!

Именно, разработку управляемых систем трения можно рассматривать как переходный шаг для создания бесконтактных узлов трения. Трибология, как наука, находится на пороге новых открытий и исследований, связанных с созданием управляемых «самоорганизующихся» структур поверхностей трения. Требуется качественный скачок, диктуемый временем, поиск нестандартных решений.

Приведу удивительнейший факт: всего за время регистрации мировых открытий было зарегистрировано около двух миллионов по всем отраслям знаний. Из них в области знаний о трении – всего три открытия! Это «Избирательный перенос при трении» (1956 г.), «Аномально низкое трение» (1969 г.), Водородное изнашивание металлов (1992 г.)

И хоть в постсоветских странах регистрация мировых открытий прекратилась, я для себя вывел четвёртое и пятое открытие в области трения:

ОТКРЫТИЕ (4) В ОБЛАСТИ РАССЕИВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТРЕНИЯ:

«КАПИЛЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ТРЕНИЯ» – год открытия 1999.

ОТКРЫТИЕ (5) В ОБЛАСТИ КАПИЛЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ТРЕНИЯ

«КАПИЛЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ТРЕНИЯ СОПРОВОЖДАЕТСЯ ЗАХВАТОМ ЭФИРА В УСЛОВИЯХ СУХОГО ТРЕНИЯ И ТРЕНИЯ ПОКОЯ» – год открытия 2021.

Только выяснив причины аномального явления при схватывании капиллярных структур контактных поверхностей при определённых условиях взаимодействия с эфиром, я смог заявить об этом в открытой печати.

Для глубокого понимания физической сути явления трения учёные используют достижения из других отраслей – метрологии (современные методики и приборы), химии молекулярных и атомных связей, коллоидной химии, высшей математики, квантовой механики, металлургии и проч.

Однако, простое (но не упрощенное) понимание явления трения совершенно необходимо для того, чтобы представлять, каким образом, например, можно изменять геометрию сопрягаемых контактных поверхностей, чтобы управлять силами трения и, в конечном счёте, процессом изнашивания.

Конечно, в любом случае, требуется современное оборудование и приборы, чтобы обеспечить требуемое изменение поверхности контакта. Прежде всего, это методы лазерной интерферометрии, что позволяет фиксировать напряженно-деформационное состояние по всей поверхности исследуемого объекта трения и верифицировать результаты испытаний, вносить необходимые изменения в технологические процессы и подбирать материалы таким образом, чтобы энергетические потери от трения и системный износ становились минимальными.

Конечно, когда я утверждаю, что за счёт создания капиллярных структур трения можно значительно повысить эффективность машин и механизмов, я не имею ввиду, что снижение потерь на трение достигается только применением каких бы то ни было комбинированных материалов. Ясно, что конструктивные изменения в узлах трения тоже необходимы, а подчас именно они дают максимальный эффект и влияют на распределение нагрузок в контактных зонах трения.

Мне несказанно повезло встретить на своём исследовательском пути уникальные разработки моторов, сотрудничать с авторами и конструкторами, участвовать в создании комбинированных систем трения и конструктивных элементов.

В одном из рассказов я уже упоминал о создании комбинированного покрытия на гильзах и поршнях двигателей внутреннего сгорания, в которых использовался корунд в качестве пористой подложки, поверх которого наносился состав ПТФЭ из наночастиц SUPERLINE. Такое техническое решение остаётся передовым вот уже более двадцати лет с момента его освоения в промышленных масштабах.

Выше я упоминал об уникальных конструкциях двигателей В.К.Фролова, о которых можно более подробно узнать из Интернет. Виталий Константинович всю жизнь «провёл в гараже», как он сам выражался при встречах. Он не остановился на тех “незначительных” изменениях, коими явились вкладыши для коленчатых валов.

Уже в более поздних своих разработках он вообще убрал из конструкции моторов коленвал, – самый сложный элемент, влияющий на возникновение в двигателях вибраций второго порядка и повышенных потерь на трение. Автомобилисты знают о проблемах, связанных с износом шеек этого слишком нагруженного узла.

Фролов вместо традиционной схемы мотора сперва опробовал схему Баландина, а затем, посчитав её слишком сложной, придумал свою – стойку Гука, которую тут же и внедрил в конструкцию. Он получил не только снижение потерь на трение, но и дополнительную мощность, повышенный крутящий момент на выходном валу, а так же облегчённую конструкцию и повышенный моторесурс!

Каких только моторов в таком исполнении он не изобретал! Мототехника, малая авиация, минитракторы, гидродвигатели, компрессоры, насосы и проч. техника – далеко не полный перечень всех его патентованных разработок.   

Но настоящего большого государственного (в промышленных масштабах) заказа конструкция Фролова так до сих пор не получила – слишком прогрессивная!

Удивительное рядом: слишком прогрессивных разработок боятся! Их игнорируют не только руководители крупных машиностроительных концернов, но «обходят стороной» и в деловых кругах! Психология – тоже непознанная энергия, где на первый план выходит «инертность мышления», упирающаяся в самоуспокоение сознания: «лучше меньше, да лучше» или «как бы чего не вышло»!

Так или иначе, когда я заявляю, что на тепловые потери механизмов и машин может уходить 15%, 10% или 5% вместо 60%, как сегодня, имею ввиду комплекс мер по повышению эффективности конструкционных разработок в целом.

К тому же, надо учитывать и направления, связанные в современных условиях с использованием биотоплива, биогаза, кислородосодержащих и всевозможных иных добавок к традиционным видам топлива, позволяющие добиваться меньших количеств выбросов в окружающую среду вредных газов и токсичных веществ.

Я считаю, что сам Бог велел при использовании кислородосодержащих добавок к топливу применять в топливной аппаратуре защитные покрытия поверхностей от коррозии и прочих нежелательных проявлений агрессивного кислорода. В этом случае в опытах в Германии капиллярные структуры трения показали стабильные результаты и дали дополнительный эффект по экономии расхода топлива.

Говоря о «перехвате» прогрессивных идей конкурентами, особенно из зарубежных стран, то и тут я имею собственный опыт. Однако, должен заметить, существуют международные организации по рассмотрению и публикации патентных заявок, а также совершенно иные международные структуры научных экспертов, которые принимают заявки на открытия. Не стоит путать изобретения с открытиями!

Как по мне, открытия являются достоянием всего человечества, поэтому какая-то особая их регистрация – лишь индивидуальное дело авторов. Патентование же, наоборот, в основном касается конкурирующих между собой производителей тех или иных конструкций, материалов, способов, там где есть новизна.

Конкурирующие фирмы хотят получить приоритет на разработки и ограничить права на выпуск подобной продукции с заявленной новизной прямых конкурентов.

«Закулисная борьба» может вылиться в скандалы, судебные иски, претензии, – так чаще всего происходит среди недобросовестных «дельцов». Например, в США некоторые компании «погрязли» в судебных разбирательствах и спорах.

«Утечка мозгов», о которой часто слышит обыватель, происходит преднамеренно, и после развала СССР учёные зачастую вынуждены себя «преподать», участвуя  в научных проектах, дабы получить от зарубежных инвесторов финансирование.

В середине 90-х были открыты Международный научные технологические центры для некоторых постсоветских стран – России, Республики Беларусь, Казахстана, Украины, Узбекистана, Грузии, Азербайджана, Молдовы. Также развивалась сеть международных партнёрских проектов между учёными постсоветских государств и зарубежными институтами. Представителей зарубежных департаментов прежде всего интересовали разработки учёных, работавших в военно-промышленном комплексе СССР. Все эти центры-структуры были открыты совершенно легально по межправительственным соглашениям с зарубежными странами.

Мне довелось участвовать в трёх таких научно-исследовательских проектах с 2006 г. по 2009 г., в частности об одном из них, – с Бранденбургским техническим университетом, – уже рассказано выше.

Вспоминаю, как куратор от Департамента США с сотрудниками центра постоянно агитировал учёных, выезжая с лекциями по городам и весям: «Не делайте то, что вы делаете, делайте только то, что нужно!»

Правда, он не уточнял, КОМУ нужно!

Подвох состоял в том, что указывались конкретные патентные поверенные, через которых рекомендовано было оформлять международные патентные заявки!

Пройдя хорошую школу секретности в советский период, как технарь-ракетчик я быстро смекнул, что к чему, и не придерживался рекомендаций американского куратора! В таких вопросах надо всегда держать ухо востро, и мне пришлось составить каждую международную заявку таким образом, чтобы невозможно было воспроизвести за рубежом! Так что, финансовая поддержка оказалась кстати, а вот секретов наших выведать зарубежным «партнёрам» так и не удалось.

Завершая рассказ о Новой парадигме трения, нужно подчеркнуть, – по окончании научных исследований в области трения (2009 г.) ещё долго оставался открытым вопрос о “залипании” демонстрационных образцов с капиллярной структурой. Это помешало мне освоить внедрение на Агрегатном заводе, где провёл испытания на одном из узлов трения топливного насоса для авиационной промышленности.

Проявление данного эффекта я наблюдаю очень часто, – например, насос для перекачки воды, установленный во влажном помещении, работает на протяжении многих лет безотказно, но при длительном перерыве в работе мне приходится вручную через вентиляционную решётку страгивать маломощный электромотор с места, иначе система трения-смазки “залипает”.

Об эффекте “захвата” эфира в капиллярной структуре трения я поведаю уже во второй части рассказа об открытии эфира. Этот же рассказ окончен.