Трибофатика (от  — «трение» и  — «усталость») — раздел механики, в котором изучают износоусталостные повреждения (ИУП) и разрушение трибофатических системСосновский, Л. А. Основы трибофатики : учеб. пособие : [доп. Мин-вом образования Респ. Беларусь в качестве учебного пособия для студентов технических высших учебных заведений] / Л. А. Сосновский. – Гомель : БелГУТ, 2003. – Т. 1. – 246 с.; Т. 2. – 234 с.Sosnovskiy, L. A. Tribo-Fatigue. Wear-Fatigue Damage and its Prediction / L. A. Sosnovskiy // Series : Foundations of Engineering Mechanics, Springer, 2005. — 424 p.摩擦疲劳学 磨损 — 疲劳损伤及其预测. L. A. 索斯洛夫斯基著, 高万振译 — 中国矿业大学出版社, 2013. — 324 p.Сосновский, Л. А. Механика износоусталостного повреждения / Л. А. Сосновский. — Гомель : БелГУТ, 2007. — 434 с.. Трибофатика создана на стыке трибологии и механики усталостного повреждения и разрушения материалов и элементов конструкций.

Основоположником трибофатики является доктор технических наук, профессор Леонид СосновскийВысоцкий, М. С. Новое слово в механике / М. С. Высоцкий // Наука и инновации. – 2010. – № 9 (91). – С. 17–19.Витязь, П. А. Ученый-механик Леонид Адамович Сосновский (к научной биографии) / П. А. Витязь, М. С. Высоцкий, В. А. Жмайлик // Тр. VI Международного симпозиума по трибофатике (ISTF 2010), 25 окт. – 1 нояб. 2010 г., Минск (Беларусь) / редкол. : М. А. Журавков (пред.) [и др]. – Минск : БГУ, 2010. – Т. 1. – С. 55–64.Журавков, М. А. Личность. Ученый. Поэт / М. А. Журавков // Личность. Ученый. Поэт / под общ. ред. В. И. Сенько. — Гомель : БелГУТ, 2015. — C. 8-19..

Объекты для изучения Трибофатической называют всякую механическую систему, в которой реализуется процесс трения в любых его проявлениях (при качении, скольжении, проскальзывании, ударе, эрозии и др.) и которая одновременно воспринимает и транзитно передает объемную повторно-переменную (в частности циклическую) нагрузкуЩербаков, С. С. Механика трибофатических систем / С. С. Щербаков, Л. А. Сосновский. — Минск : БГУ, 2011. — 407 с.. Как правило, это изделия ответственного назначения. Так, в системе колесо/рельс обнаруживается трение при качении, скольжении, проскальзывании, а один из её элементов — рельс дополнительно подвергается изгибу, растяжению-сжатию, кручению. Поэтому её работоспособность определяется комплексным ИУП — контактно-механической усталостью. В системе коленчатый вал/шатунная головка реализуется трение скольжения, а шейка вала одновременно подвергается изгибу с кручением. Следовательно, её работоспособность определяется комплексным ИУП — фрикционно-механической усталостью. В многообразных соединениях типа вал/втулка имеет место трение при проскальзывании (фреттинг), а вал дополнительно подвергается изгибу с вращением. И её работоспособность определяется комплексным ИУП — фреттинг-усталостью. Если изучать систему труба/поток жидкости (нефти), то в ней реализуется гидродинамическое трение, а труба одновременно нагружена повторно-переменным внутренним давлением. Поэтому её работоспособность определяется комплексным ИУП — коррозионно-механической (или коррозионно-эрозионной) усталостью. Аналогично для труб первого контура АЭС характерна радиационно-механическая усталость.

Таким образом, по существу, трибофатическая система — это любая пара трения, хотя бы один из элементов которой дополнительно и одновременно нагружен объемной (внеконтактной) нагрузкой. Практически в каждой современной машине (автомобиле, самолёте, станке и др.) найдется хотя бы одна трибофатическая система, которая, как правило, является тяжелонагруженной, и она в существенной степени определяет эксплуатационную надежность изделия. Отсюда следует, что большая технико-экономическая значимость для современной техники проблем трения и изнашивания (изучаемых в трибологии), с одной стороны, и проблем усталостного повреждения и разрушения (изучаемых в механике усталости материалов), с другой стороны, многократно возрастает, когда частные повреждающие явления (усталость, трение и износ) реализуются одновременно и совместно в виде комплексных ИУП (изучаемых в трибофатике).

Основное содержание Прямой эффект: влияние процессов и условий трения и изнашивания на изменение характеристик сопротивления усталости трибофатической системы и/или её элементов. Экспериментально установлено, что трение и износ могут как резко снижать (в 3-7 и более раз), так и существенно (на 30-40 %) повышать предел выносливости σ−1 элементов конструкций.

Обратный эффект: влияние повторно-переменных напряжений на изменение характеристик трения и изнашивания трибофатической системы и/или её элементов. Экспериментально установлено, что циклические напряжения от объемной нагрузки, возбуждаемые в зоне контакта, способны в зависимости от условий либо снизить, либо повысить износостойкость пары трения (на 10-60 % и более).

Эффект Λ-взаимодействий повреждений (функция Λσ\τ) обусловлен нормальными напряжениями (индекс σ) от внеконтактных объемных нагрузок (усталость) и фрикционными напряжениями (индекс τw) (трение и износ). Согласно этому эффекту, повреждения от различных (контактных и объемных) нагрузок не суммируются, а диалектически взаимодействуют.

+ Сравнение методологий научных дисциплинДисциплинаОбъект для изученияОсновные методы исследованияОсновные задачиэкспериментальныетеоретическиеТрибофатикаТрибофатическая системаИзносоусталостные испытанияМеханика износоусталостного повреждения и разрушенияОптимальное управление процессами комплексного ИУП трибофатических систем с целью снижения затрат труда, средств и материалов в сферах их производства и эксплуатацииТрибологияПара тренияИспытания на трениеМеханика контактного взаимодействияБорьба с износом (вплоть до безызносного трения) и предотвращение заедания пары тренияУсталостьЭлемент конструкции (образец)Испытания на усталостьМеханика деформируемого твердого телаСнижение скорости накопления повреждений и предотвращение усталостных поломок элементов конструкций

Расчет трибофатических систем В трибофатике сформулированы принципы и разработаны методыСосновский, Л. А. Фундаментальные и прикладные задачи трибофатики : курс лекций / Л. А. Сосновский, М. А. Журавков, С. С. Щербаков. — Минск : БГУ, 2011. — 488 с. расчета трибофатических систем на прочность, износостойкость, надежность, долговечность с учётом риска (безопасности) эксплуатацииСосновский, Л. А. L-Риск (механотермодинамика необратимых повреждений) / Л. А. Сосновский. — Гомель : БелГУТ, 2004. — 317 с. Система проектирования по критериям трибофатики (TF) позволяет ставить и решать задачи: определение необходимого диаметра вала с учетом прямого эффекта, определение необходимой площади контакта элементов системы с учетом обратного эффекта, выбор материалов для обоих элементов системы, установление требований к значению коэффициента трения, расчет долговечности системы и ее элементов, оценка надежности системы в заданных условиях эксплуатации, расчет факторов риска и показателей безопасной работы системы.

На рисунке представлен сравнительный анализ методов расчета силовых систем по критериям трибофатики (параметры с индексом TF), по критериям механической усталости (параметры с индексом F), а также по трибологическому параметру – коэффициенту трения. На всех графиках горизонтальный пунктир означает, что при расчетах по отдельным критериям либо механической усталости, либо трибологии искомые параметры принимаются как единичные. Криволинейные пунктиры описывают прямой либо обратный эффекты при условии, что функция взаимодействия повреждений Λσ/τ=1. Остальные (сплошные) линии характеризуют указанные эффекты с учетом различных условий взаимодействия повреждений: при Λσ/τ>1 преимущественно реализуются процессы разупрочнения, при Λσ/τ<1 преимущественно реализуются процессы упрочнения.

Например, при определении требуемого поперечного сечения вала его диаметр dF, принятый по известной методике расчета на механическую усталость, будем считать равным единице: dF=1. Если вал является элементом силовой системы, то учет влияния процессов трения и изнашивания, обобщенно характеризуемых относительной величиной фрикционных напряжений τW2/τf2, приводит к тому, что для обеспечения его прочностной надежности значение dTF может быть либо существенно меньше (например, 0,9dF), либо существенно больше (например, 1,3dF) величины dF; это зависит от соотношения реализуемых процессов упрочнения-разупрочнения (Λσ/τ>1 либо Λσ/τ<1).

Анализ других графиков приводит к аналогичным заключениям при выборе требуемых площади контакта, свойств материала, коэффициента трения.

Это значит, что в трибофатике уходят от традиционного расчета отдельных деталей и переходят к расчету и конструированию механических систем.

Испытательные машины

В рамках трибофатики разработаны и стандартизованы методы износоусталостных испытаний. С использованием разработанных методов и на базе ряда изобретений создан новый класс испытательного оборудования — машины серии СИ/SZ для износоусталостных испытаний материалов, моделей пар трения и трибофатических систем. Главной особенностью таких машин является использование унифицированных типоразмеров объектов испытаний. Это обеспечивает корректное сравнение результатов испытаний, проведенных в различных условиях.

Технические характеристики машин серии СИ/SZ регламентируются требованиями межгосударственного стандарта ГОСТ 30755-2001 «Трибофатика. Машины для износоусталостных испытаний. Общие технические требования»Трибофатика. Машины для износоусталостных испытаний. Общие технические требования (Межгосударственный стандарт) : ГОСТ 30755-2001. — Введ. 01.07.2002. — Мн. : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации : Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 2002. — 8 с.. Основные методы испытаний стандартизованы.

Трибофатика для производства Выполнен ряд комплексных проектов в интересах производства. Среди них: Hi-Tech: литые ножи для режуще-измельчающего аппарата высокопроизводительных кормоуборочных комбайновСосновский, Л. А. Чугун и сталь в трибофатических системах современных машин и оборудования / Л. А. Сосновский, П. А. Витязь, В. А. Гапанович, Н. В. Псырков, Н. А. Махутов // Механика машин, механизмов и материалов. – 2014. – № 4 (29). – С. 5–20.Новиков, А. А. Механические и эксплуатационные свойства чугуна марки ВЧТГ / А. А. Новиков, П. С. Дробышевский, С. А. Тюрин, Д. С. Чумак // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. – 2018. – № 1 (72). – С. 61–69.Новиков, А. А. Ножи для режуще-измельчающих аппаратов кормоуборочных комбайнов (расчет, материал, технология изготовления, результаты испытаний и аттестации в МИС) / А. А. Новиков, П. С. Дробышевский, В. С. Голубев, В. В. Комиссаров // Актуальные вопросы машиноведения : сб. науч. тр. – Вып. 6. – Минск : ОИМ НАНБ, 2017. – С. 231–236.Новиков, А. А. Оценка стойкости ножей питающе-измельчающих аппаратов сельскохозяйственных комбайнов: теория, стендовые и полевые испытания / А. А. Новиков, В. В. Комиссаров, В. О. Замятнин, П. С. Дробышевский, С. С. Щербаков, Л. А. Сосновский // Вестник БелГУТа : Наука и транспорт. – 2016. –№ 1 (32). – С. 201–208.Способ сравнительной оценки износостойкости испытуемых ножей для питающе-измельчающего аппарата сельскохозяйственного комбайна : пат. 21970 Респ. Беларусь, МПК G 01N3/58/ Л. А. Сосновский, Н. В. Псырков, С. Г. Волченко, В. О. Замятнин, В. В. Комиссаров, Д. С. Чумак; заявители ОАО «Гомсельмаш», ООО «НПО ТРИБОФАТИКА». –№ а20140422; заявл. 14.08.2014; опубл. 27.02.2018. – 2018. – 5 с.;