Основы трибологии

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА  

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ 

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА 

(МИИТ)» 

 

Институт транспортной техники и систем управления 

(ИТТСУ) 

 
Кафедра технологии транспортного машиностроения 

и ремонта подвижного состава   

 

В. П. Бирюков 

 
 

ОСНОВЫ ТРИБОЛОГИИ 

 
 

Учебное пособие 
 
 
 
 
  
 
 

                          МОСКВА – 2018 

 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА  

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ 

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА 

(МИИТ)» 

 

Институт транспортной техники и систем управления 

(ИТТСУ) 

 
Кафедра технологии транспортного машиностроения 

и ремонта подвижного состава   

 

В. П. Бирюков 

 
 

ОСНОВЫ ТРИБОЛОГИИ 

 
 

Учебное пособие 

для студентов специальности 190300 «Технология 

производства и ремонта подвижного состава» 

 
 
 
 
 

                           МОСКВА – 2018 

УДК 621.891. 
Б 64 
Бирюков В.П. Основы трибологии: 
Учебное пособие. – М.: РУТ (МИИТ), 2018. –  175 с.  
 
 
Учебное пособие раскрывает основные понятия в 

области трения, износа и смазки машин. Рассмотрены 
закономерности внешнего и внутреннего трения; освещены 
положения теории трения при граничной, смешанной и 
жидкостной смазке. Представлены примеры совместимости 
трущихся материалов. Даны методы расчета деталей 
машин на износ. Приведены примеры использования 
теории трения, износа и для типовых узлов трения и 
конструктивных элементов, применительно к подвижному 
составу железных дорог, и другой транспортной технике. 

Для студентов высших учебных заведений, а также 

инженерно-технических 
работников, 
занимающихся 

разработкой, изготовлением и эксплуатацией машин и 
материалов. 
 
Рецензенты: д.т.н., профессор кафедры «Локомотивы и 

локомотивное хозяйство» РУТ (МИИТ) 
Киселёв В.И.; 
д.т.н., 
профессор, 
главный 
научный 

сотрудник Института машиноведения им. 
А.А. Благонравова РАН 

  
          Буяновский И.А. 

 
 
 

           

 © РУТ (МИИТ), 2018 

 

ISBN 978-5-600-02188-4       
 

ВВЕДЕНИЕ 
 

Трибология – наука о трении, износе, смазке и 

взаимодействии 
контактирующих 
поверхностей 
при 

взаимном их перемещении. Название этой научной 
дисциплины образовано от греческих слов «трибос» - 
трение и «логос» - наука. Она охватывает теоретические и 
экспериментальные 
исследования 
физических 

(механических, 
электрических, 
магнитных, 
тепловых), 

химических, биологических и других явлений, связанных с 
трением, изнашиванием и смазкой. 

 Одной из главных причин преждевременного 

выхода машин из строя является износ входящих в них 
подвижных трибосопряжений (подшипников скольжения и 
качения, зубчатых передач, кулачков и т.д.). В процессе 
выполнения машиной полезной работы вследствие силовой 
и 
тепловой 
нагруженности 
 
деталей 
происходит 

разрушение 
поверхностных 
слоев 
узлов 
трения 
с 

последующим 
изменением 
геометрии 
деталей, 

увеличением зазоров в сопряжениях, нарушением условий 
смазки и как результат - снижение мощности, потеря 
кинематической точности, завершающиеся в предельном 
случае остановкой или аварией всей механической 
системы. 

По данным Международного совета по трибологии, 

согласуемым со статистическими данными по нашей 
стране, только учтенная доля затрат, связанных с 
преждевременным 
износом 
основных 
видов 
машин, 

достигает 2% национальных доходов развитых стран. Эта 
цифра основывается на том, что до 20-30% мировых 
энергетических ресурсов расходуется в различных формах 
на трение, до 80-90% машин выходит из строя вследствие 
износа их подвижных узлов, каждый третий рабочий в 
промышленности занят в ремонтной отрасли, при этом 

ремонт и обслуживание различных изделий техники в 3-10 
раз обходится дороже стоимости изготовления самой 
машины. 

Разнообразны виды изнашивания деталей машин, 

что связано с разнообразием типов самих машин и условий 
их эксплуатации. Однако главных причин, вызывающих 
поверхностное разрушение материалов, всего две 
- 

механическое нагружение и деформирование деталей 
трения в зоне фрикционного контакта и коррозийное 
воздействие на материалы за счет внешней газовой среды, а 
отчасти и смазки. Предлагаемое учебное пособие для 
студентов по специальности «Технология транспортного 
машиностроения 
и 
ремонта 
подвижного 
состава» 

предназначено для изучения этого курса применительно к 
деталям и узлам (сборочным единицам) подвижного 
состава, верхнего строения пути технологического и 
ремонтного оборудования предприятий железнодорожного 
транспорта. 
 

Глава 1. ТВЕРДЫЕ ТЕЛА, ЖИДКОСТИ И ГАЗЫ 
1.1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 

 
Под физической поверхностью твердого тела 

понимают некоторый пограничный слой, физические и 
химические свойства которого отличаются от объемных 
свойств тела. Толщина такого слоя колеблется в широких 
пределах 2…105Ǻ и его свойства кардинальным образом 
влияют на трибологические процессы. 

Применяемые 
в 
технике 
металлы 
являются 

поликристаллами, 
состоящими 
из 
множества 

разноориентированных 
блоков, 
в 
пределах 
которых 

сохраняется кристаллическая решетка. Размеры блоков 
находятся в пределах 0,1…103 мкм с толщиной границ 

между ними ~ 5Ǻ. Из-за хаотического расположения зерен 
поликристаллы изотропны и по своим прочностным 
свойствам 
уступают 
монокристаллам  

в 10 … 103 раз. 

Вторую 
группу 
материалов, 
применяемых 
в 

технике, составляют полимеры. Они состоят из огромных 
молекул, 
образующихся 
в 
результате 
многократного 

повторения небольших (чаще всего углеводородных групп 
атомов). Обычно полимеры имеют аморфную структуру, 
реже - частично кристаллическую структуру, размеры 
упорядоченных блоков которой находятся в пределах 
0,01…0,1 мкм. 

Поверхность твердого тела обладает избыточной 

поверхностной энергией. Это связано с особым состоянием 
атомов в поверхностном слое, при котором их силовые 
поля компенсируются за счет взаимодействия с подобными 
им атомами, расположенными ниже в глубине объема 
материала. 
Избыточная 
поверхностная 
энергия 

предопределяет активное взаимодействие поверхностных 
атомов твердого тела с окружающей его газовой или 
жидкой средой. Это явление носит название адсорбция, 
если 
молекулы 
внешней 
среды 
закрепляются 
на 

поверхности или абсорбция, когда молекулы проникают в 
глубину твердого тела. Если имеется химическое сродство 
между атомами тела и молекулами газа (жидкости), то 
устанавливаются более прочные химические связи. В этом 
случае 
мы 
имеем 
дело 
с 
химической 
адсорбцией 

(хемосорбция). 

Поверхность твердых тел всегда бывает покрыта 

различными 
пленками 
– 
продуктами 
коррозии, 

адсорбированными 
газами, 
водяными 
парами, 

углеводородными соединениями. Большинство металлов 
активно вступает в химическую реакцию с кислородом 
воздуха, в результате чего образуются окисные пленки 
толщиной ~ (15…100Ǻ). Они, как правило, снижают 

адгезионное взаимодействие между контактирующими 
телами, а значит, снижают трение и износ сопряженных 
тел. Если происходит разрушение этих пленок (нагрев, 
температура, деформация и т. д.), то адгезионное 
взаимодействие между телами резко возрастает, что может 
привести к схватыванию материалов и выходу из строя 
узла трения. 

При контактном взаимодействии твердых тел 

необходимо учитывать как объемные, так и поверхностные 
механические свойства материалов. 

Объемные свойства характеризуются: Е - модуль 

упругости; σуп – предел упругости; μ – коэффициент 
Пуассона и др. 

Поверхностные 
свойства 
твердых 
тел 

характеризуются интегральными величинами твердости и 
микротвердости. 

Твердость 
- 
это 
сопротивление 
материала 

проникновению 
в 
него 
более 
прочного 
эталонного 

материала. 

 

HB =

N
Fл =

2N

πD(D−√D2−d2)  
 
 
 (1.1) 

где d - диаметр отпечатка;  𝐹л- площадь лунки; D - диаметр 
шарика;  N - вдавливающая сила.   

Микротвердость Но определяется при вдавливании 

в материал алмазной пирамиды: 

Hо =

1,85N

a   
 
 
 
 (1.2) 

где 𝑎 – диагональ отпечатка, измеряемая микроскопом. 
В 
силу 
своих 
особенностей 
метод 
микротвердости 

позволяет определять ее  в тонких поверхностных слоях  
(10…50 мкм), соизмеримой с глубиной деформации 
материала при трении. 

Между числом твердости по Бринеллю НВ и 

величиной предела прочности сталей σв  установлена  
приближенная эмпирическая зависимость: 

σв ≈ 0,36 HB  
 
 
 (1.3) 

Детали машин получают в результате механической 

обработки, точения, шлифования, штамповки и т. д. В 
результате 
воздействия 
инструмента 
и 
штампов  

поверхностные 
слои 
упрочняются. 
Отношение 

микротвердости поверхности к микротведрости основы при 
различных видах обработки приведены в таблице 1. 

При полировании некоторых сталей на поверхности 

формируется 
тонкий 
слой 
толщиной 
10…104Ǻ 

мелкодисперсного 
материала 
с 
приближающейся 
к 

аморфному состоянию структурой. Впервые этот слой 
обнаружил Бейльби в 1921 г. Он состоит из большого числа 
беспорядочно 
расположенных 
чрезвычайно 
мелких 

кристаллов размером всего в несколько элементарных 
атомных ячеек. Слой Бейльби характеризуется высокой 
адгезионной активностью. 

Формирование поверхностного слоя происходит 

под влиянием поверхностной энергии твердого тела, 
внешней газовой среды, наличия в ней различных примесей 
и 
механической 
обработки 
поверхностей. 
Структура 

поверхностных слоев в значительной мере определяет 
трибологические процессы в узлах трения машин, влияя 
как на коэффициент трения, так и на интенсивность 
изнашивания материалов трущихся тел. На рис. 1.1. 
представлена структура поверхностного слоя металла. 

 

Рис.1.1. Структура поверхностного слоя металла. 
а) изменение микротвердости по глубине слоя; 

б) структура 
поверхностного 
слоя 
металла; 1 -

 адсорбированные 
газы; 
пары 
воды, 
молекулы 

поверхностно-активных 
веществ; 
2 - слой 
окислов, 

15÷100Ǻ; 
3 - слой 
Бейльби 
10÷104 
Ǻ; 
4 - слой 

деформированных кристаллов 1,5÷200 мкм; 5 - первичная 
структура металла. 

Таблица 1.1 

Упрочнение металлов при различных видах обработки. 

Обработка
Ноповерхности

Нообъемная

Глубина 

упрочненного

слоя, мкм

Точение
1,2…2
30…200

Фрезерование
1,4…2
40…200

Протачивание
1,5…2
20…75

Шлифование
1,5…2,5
30…60

Притирка
1,1…1,2
3…7

 
 

1.2. ЖИДКОСТИ И ГАЗЫ, ОСОБЕННОСТИ ИХ 
ПОВЕДЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТРЕНИЯ 

 

Газы представляют собой конгломерат хаотически 

движущихся молекул, обладающих кинетической энергией. 
Их характерным признаком является сжимаемость и 
текучесть. Поведение реальных газов в объеме 
V 

описывается уравнением Ван-дер-Ваальса. 

(р+р΄)(V-b)=Rθ 
 
 
(1.1) 

где    p, V, θ – давление, объем температура газа; 

р΄ - молекулярное давление внутри газа; 
b  - объем молекул газа; 
R  - универсальная газовая постоянная. 
Жидкости занимают промежуточное состояние 

между газами и твердыми телами. В них отмечается 
некоторая упорядоченность близкого порядка - подобие 
кристаллической структуры, в которой молекулы занимают 
не строго фиксированное положение в узлах решетки, а 
перемещаются из одного узла в другой. 

Объемные 
свойства 
жидкости 
подчиняются 

уравнению 

р΄(V-b)=Rθ 
 
 
(1.2) 

Поверхностный слой жидкости отличается от ее 

объемного состояния, обладает поверхностной энергией и 
характеризуется 
коэффициентом 
поверхностного 

натяжения σ (Н/м). 

Адгезионное взаимодействие между жидкостью и 

твердым телом на границе их раздела определяется 
энергией их взаимодействия Wад (Н·м/м2) 

Wад=σтг+σжг-σтж 
 
 
(1.3) 

где σтг , σжг , σтж 
  - коэффициенты поверхностного 

натяжения соответственно на границе раздела: твердое тело 
- газ, жидкость - газ, твердое тело - жидкость.