ISSN 0073-8433

PUBLIKATIONEN ZU WISSENSCHAFTLICHEN FILMEN

SEKTION

TECHNISCHE WISSENSCHAFTEN NATURWISSENSCHAFTEN

SERIE 9 • NUMMER 6 • 1986

FILM C 1619

Tribologie

Reibung, Verschleiß, Schmierung

INSTITUT FÜR DEN WISSENSCHAFTLICHEN FILM GÖTTINGEN

Angaben zum Film:

Tonfilm (Komm., deutsch und Originalton), 16 mm, farbig, 445 m, 41 min (24 B/s). Hergestellt 1985, veröffentlicht 1986. Der Film ist für die Verwendung im Hochschulunterricht bestimmt. Veröffentlichung der Gesell­schaft für Tribologie e.V. Moers, Prof. Dr.-Ing. E . GÜLKER, Dortmund, Dr. J . HANSEN, Bonn, und des Instituts für den Wissenschaftlichen Film, Göttingen, Dipl.-Ing. H . ADOLF; Kamera und Schnitt: G. MATZDORF; Ton: K. BERTRAM, K. KEMNER; Zeichentrickherstellung: ATLANTIK, Hamburg. Der Film entstand im Auftrag des Bundesministers für Forschung und Technologie.

Zitierform:

GÜLKER, E . , J . HANSEN und INST. WlSS. FILM: Tribologie - Reibung, Verschleiß, Schmierung. Fi lm C 1619 des IWF, Göttingen 1986. Publikation von E . GÜLKER und j . HANSEN, Publ. Wiss. Fi lm. , Sekt. Techn. Wiss./Naturw., Ser. 9, N r . 6/C 1619 (1986), 13 S.

Anschrift der Verfasser der Publikation:

Prof. Dr.-Ing. E . GÜLKER, Gesellschaft für Tribologie, c/o Hoesch Stahl A G , Maschinenbetriebe/ MZD-Ingenieurabteilung, Eberhardstr. 12, D-4600 Dortmund 1. D r . J . HANSEN, Gesellschaft für Tribologie, c/o D F V L R , Projektträgerschaft „Umweltschutz­technik", Südstr. 125, D-5300 Bonn 2.

P U B L I K A T I O N E N Z U W I S S E N S C H A F T L I C H E N F I L M E N

Sektion B I O L O G I E Sektion P S Y C H O L O G I E • P Ä D A G O G I K Sektion E T H N O L O G I E Sektion T E C H N I S C H E W I S S E N S C H A F T E N Sektion M E D I Z I N N A T U R W I S S E N S C H A F T E N Sektion G E S C H I C H T E • P U B L I Z I S T I K

Herausgeber: H . - K . GALLE • Redaktion: E . BETZ, I. SIMON

P U B L I K A T I O N E N Z U W I S S E N S C r i A F T L I C H E N H L M E N sind die schriftliche Ergänzung zu den Filmen des Instituts für den Wissenschaftlichen Fi lm und der Encyclopaedia Cinematogra-phica. Sie enthalten jeweils eine Einführung in das im Film behandelte Thema und die Begleitum­stände des Films sowie eine genaue Beschreibung des Filminhalts. Fi lm und Publikation zusammen stellen die wissenschaftliche Veröffentlichung dar.

P U B L I K A T I O N E N Z U W I S S E N S C H A F T L I C F I E N F I L M E N werden in deutscher, englischer oder französischer Sprache herausgegeben. Sie erscheinen als Einzelhefte, die in den fachlichen Sektionen zu Serien zusammengefaßt und im Abonnement bezogen werden können. Jede Serie besteht aus mehreren Lieferungen.

Bestellungen und Anfragen an: Institut für den Wissenschaftlichen Fi lm Nonnenstieg 72 • D-3400 Göttingen Tel. (05 51) 20 22 02

© Institut für den Wissenschaftlichen Film, Göttingen 1986 ISSN 0073-8433

Techn. Wiss./Naturw. 9/6 - C 1619

F I L M E F Ü R F O R S C H U N G U N D H O C H S C H U L U N T E R R I C H T

E U G E N GÜLKER, D o r t m u n d , JÖRN H A N S E N , B o n n , u n d INSTITUT FÜR D E N WISSEN­SCHAFTLICHEN F I L M , Göttingen:

Tribologie — Reibung, Verschleiß, Schmierung

Verfasser der Publ ikat ion: E U G E N GÜLKER u n d JÖRN H A N S E N

Inhalt des Films: Tribologie — Reibung, Verschleiß, Schmierung. Beispiele aus dem Verkehrssektor, dem Haus­haltsbereich und der Industrie, insbesondere der Schwerindustrie, zeigen, daß die in der Technik auftretenden Bewegungen in der Regel mit Reibung verbunden sind. Reibung verursacht stets Energieverlust und häufig auch Verschleiß. Die hierdurch hervorgerufenen Verluste belaufen sich in der Bundesrepublik Deutschland auf ca. 40 Milliarden D M pro Jahr. Diese Verluste zu senken, hat sich die wissenschaftliche Disziplin „Tribologie" zum Ziel gesetzt. Tribologie ist die Wissen­schaft und Technik von gegeneinander bewegten, in Kontakt und Wechselwirkung befindlichen Oberflächen und zugehörigen Verfahren ( D I N 50 323). A m konkreten Fall eines ausgefallenen Kammwalzengetriebes einer Walzenstraße wird die Arbeit einer Tribologie-Stabsstelle gezeigt. Damit wird übergeleitet zur Erklärung des „Tribologischen Systems" (Grund-, Gegenkörper, mit und ohne Zwischenstoff, Umgebungsmedium, Beanspru­chungskollektiv, Reibung, Energieverlust, Verschleiß, Beeinflußbarkeit). Es wird gezeigt, wie das Tribosystem durch — Geometrische Gestaltung

(Berechnung von Gleitlagern, Test Gleitringdichtungen) — Werkstoff aus wähl für Grund- und Gegenkörper

(Baggerschaufeln mit Auftragsschweißung, CVD-Beschichtung von Schneidplatten, Laser-Härten von Zylinderbuchsen)

— Zwischenstoffauswahl (Spektralanalyse von Schmierstoffen, Verträglichkeit von Kunststoffen und Schmierölen, Schmierfettprüfung, schwerentflammbare Hydraulikflüssigkeiten)

gezielt zu besserer und längerer Funktionsfähigkeit entwickelt werden kann. Durch — Instandhaltung

(Schmierstoffüberwachung, Schwingungsfrequenz-Analyse) muß die Funktionstüchtigkeit eines Tribosystems im längeren Betriebseinsatz erhalten bleiben. Forschung und Entwicklung werden auf allen Gebieten der Tribologie fortgesetzt. Das Bundesmi­nisterium für Forschung und Technologie hilft hierbei durch die Förderung einer Reihe von For­schungsvorhaben, von denen einige kurz angedeutet werden. Zur Senkung der großen reibungsbedingten Verluste muß das erarbeitete Tribologie-Wissen durch Technologie-Transfer und Innovation insbesondere in die Klein- und mittelständische Industrie übertragen werden. Hierbei zu helfen, ist die Aufgabe der Tribologie-Beratungsgesellschaft, die am Ende des Films mit ihrer Arbeit vorgestellt wird.

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Summary of the Film: Tribology — Fr ic t ion, Wear, Lubrication. Examples taken from the traffic sector, from the household and from industry, especially heavy industry, show that movements occurring in tech­nological processes are generally connected with friction. Friction always causes losses of energy and often also results in wear. Losses of this kind amount to about 40 billion West German Marks per annum in the Federal Republic of Germany. The objective of the scientific discipline of tribo­logy is to reduce such losses. Tribology is the science and technology of surfaces moving against one another which are in contact with and interacting with one another and the processes involved in these movements ( D I N 50 323). The work of a tribology staff division is shown working on the practical case of a broken down pinion mechanism on a rolling mill . That serves as an introduction to an explanation of the "Tribo­logical System" (basic and counter body, with and without precursor, environmental medium, strain collective, loss of energy, abrasion, capability of being influenced). The film shows how the tribosystem can be carefully developed towards better and longer operabi-lity by — geometric design

(calculating friction bearings, testing rotating mechanical seal) — selection of tools for basic and counter body

(dredging shovel with layer of welding, C V D coating on slipping beds, laser hardening on cylinder liners

— choice of lubricant (spectral analysis of lubricating substances, compatibility of plastics with lubricating oils, examination of lubricating grease, poorly combustible hydraulic fluids).

The operability of a tribosystem applied over a longer period of time must be maintained by — maintenance

(checking lubricating substances, analysis of oscillation frequency). Research and development is done in all areas of tribology. The Federal Department for Research and Technology assists by encouraging a number of research projects of which a few are men­tioned. In order to reduce the large losses caused by friction, the knowledge already available on tribology must be passed on, particularly to small and middle-scale industrial enterprises, by means of tech­nology transfer and innovation. The task of the Society for Tribology-Consulting is to be of help here. The Society and its work are introduced at the end of the film.

Résumé du Film: Tribologie — Frottement, usure, graissage. Exemples dans le secteur des transports, dans le domaine ménager et de l'industrie, en particulier de l'industrie lourde montrent que les mouve­ments produits en technique sont liés, en règle générale, au frottement. U n frottement occasionne constamment une perte d'énergie et souvent aussi de l'usure. Les pertes causées de ce fait se chif­frent en Allemagne fédérale à environ 40 milliards de D M par an. L a discipline scientifique »Tribo­logie« s'est mis comme but de baisser ces déficits. L a tribologie est la science et la technique de deux surfaces en mouvement l'une contre l'autre, en contact et qui se trouvent en action réciproque ainsi que les procédés qui s'y rattachend ( D I N 50 323). D'après un cas concret d'une panne de mécanisme de rouleau compresseur d'un train laminoir, le travail d'une équipe de service en tribologie est montré. De là on passe à l'explication du »Systeme de tribologie« (substance de base, corps opposé, avec ou sans matière intermédiaire, médium ambiant, collectif d'emploi admissible, frottement, perte d'énergie, usure, influx).

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Il est montré commet le système de tribologie peut être développé particulièrement pour une capa­cité de fonction meilleure et durable par:

— configuration géométrique (calculation de paliers lisses, test bague d'étoupage)

— choix de matériau pour corps de base et opposés (excavateur avec soudage à mission, revêtement C V D de matrices coupantes, dureté laser de boîtes à cylindre)

— choix de matériau intermédiaire (analyse spectrale d'agents de liaison, compatibilité de matières plastiques, huiles de graissage, graisses de lubrification, liquides hydrauliques peu combustible)

L'aptitude du système de tribologie dans de longs emplois doit être maintenue par: — l'entretien

(contrôle des agents de liaison, analyse de la fréquence d'oscillations). L a recherche et le développement seront poursuivis dans tous les domaines de la tribologie. Le Ministère fédéral pour la recherche et la technologie aide dans ce cas, grâce à la promotion d'une série de projets de recherche, dont certains seront mentionnes. Pour obtenir la baisse des pertes dues au frottement, les connaissances en tribologie acquises doivent être transmises à l'industrie de petite et moyenne taille par le transfer de la technologie et de l'innovation. L a fonction de la Société de consultation en tribologie qui est présentée à la fin de ce film ainsi que son travail, a été prévue à cette fin.

A l l g e m e i n e V o r b e m e r k u n g e n

D a ß durch Re ibung u n d Verschleiß erhebliche Verluste auftreten, ist nicht neu. D a ß diese sich aber i n vielen Volkswirtschaften z u mehrstelligen Milliardenbeträgen aufaddieren, wurde erstmals durch den 1966 i n Großbritannien erschienenen sog. Jost-Report (JOST [5]) belegt. Für die Bundesrepublik Deutschland nennen jüngste Untersuchungen v o n RICHTER u.a. ( H A N S E N [4]) direkte Verluste v o n ca. 40 M r d . D M p r o Jahr. D i e Folge­kosten durch reibungsbedingten Produktionsausfall u.a. werden auf etwa den gleichen Betrag geschätzt. Diese Zahlen unterstreichen die volkswirtschaftliche Bedeutung der Tr ibologie , die sich als interdisziplinäre Wissenschaft u n d Technik u m die Lösung der Probleme mi t R e i b u n g u n d Verschleiß bemüht. N i c h t zuletzt durch die 1978 begonnene u n d n o c h heute andauernde Schwerpunkt-Förderung des Bundesministeriums für Forschung u n d Tech­nologie hat die Tr ibologie erhebliche Erfolge aufzuweisen. D e n n o c h : E ine Studie der D G M K v o n 1977 ( D G M K [1] ) gibt an, daß die Hälfte aller reibungsbedingten K o s t e n ein­zusparen seien, würde m a n nur das bereits bekannte tribologische Wissen überall konse­quent einsetzen. A u c h w e n n diese Angabe schon älter ist, verdeutlicht sie doch noch die Arbei t , die auf den Gebieten der M o t i v a t i o n , Information sowie A u s - u n d Weiterbi ldung z u leisten ist, u m durch Technologie-Transfer u n d Innovation die großen Verluste z u sen­ken. Besonders muß die große Z a h l an Konstrukteuren, Herstel lern u n d Betreibern v o n Maschinen u n d technischen Anlagen angesprochen werden, die eben nicht tribologisch geschult sind u n d die i m m e r wieder vor tribologischen Problemen stehen. V o r diesem H i n t e r g r u n d entschloß sich die Gesellschaft für Tribologie, mit finanzieller Unterstützung

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des Bundesministeriums für Forschung u n d Technologie, den vorliegenden F i l m z u erstellen. D e r F i l m soll Studenten des Ingenieurwesens, Technikern u n d Ingenieuren bewußt machen, daß Verluste durch Reibung nicht als naturgegeben hingenommen wer­den sollten, sondern durch tribologische Maßnahmen bekämpfbar sind.

Zur Entstehung des Films und Danksagung

D e r F i l m wurde bei folgenden F i r m e n u n d Instituten realisiert:

— Fa . Bechern G m b H , Hagen — Betriebsforschungsinstitut, Düsseldorf — Daimler -Benz A G , Smugart-Untertürkheim — Deutsche Bundesbahn, Göttingen — Deutsche Lufthansa A G , Lufthansawerft, H a m b u r g — H o e s c h Stahl A G , D o r t m u n d — Fa. K r u p p G m b H , Forschungsinstitut, Essen — M . A . N . Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg A G ,

N e u e Technologie, München-Karlsfeld — Pacifik W i e t z G m b H u . C o K G , D o r t m u n d — Rohstoffgroßhandel Resebeck, Göttingen — Rheinische Braunkohlenwerke A G , Köln — R W T H Aachen,

Institut für Werkstoffkunde B (Prof. Knotek) Maschinenwesen, A b n u t z u n g der Werkstoffe (Prof. Krause) Institut für Maschinenelemente u n d Maschinengestaltung (Prof. Peeken)

— Rheinisch-Westfälischer Technischer Überwachungs-Verein e .V. , Essen — D r . T i l l w i c h G m b H , H o r b — Tribologie Beratungsgesellschaft e .V. , D o r t m u n d — V A G Autohaus , Südhannover G m b H , Göttingen

D i e Gesellschaft für Tribologie dankt den beteiligten F i r m e n u n d Institutionen für ihre freundliche Unterstützung. Darüberhinaus hat dankenswerterweise die Deutsche Lufthansa ihre Fi lmaufnahme v o n der L a n d u n g eines Flugzeuges u n d das R W T H - I n s t i t u t für Maschinenelemente (Prof. Peeken) seine Filmaufnahme v o n der Computerze ichnung der Wellenlagerungen dem I W F zur Verwendung i m „Tribologie"-Film überlassen.

Erläuterungen zum Film Wortlaut des gesprochenen Kommentars1

1. Verluste durch Reibung und Verschleiß Verkehrssektor

W e n n bei der L a n d u n g eines Flugzeuges die Räder den B o d e n berühren, gibt es beachtli­chen Verschleiß u n d Q u a l m w o l k e n abgeriebenen, verbrannten G u m m i s . Überall w o Bewegung ist, tritt Reibung auf: bei Schiffen, Flugzeugen, Kraftfahrzeugen u n d ebenso

1 Die eingerückten Zeilen in Kleindruck geben zusätzliche Informationen.

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bei der Bahn . Re ibung verursacht teuren Energieverlust u n d insbesondere teuren V e r ­schleiß. W i e kostspielig Verschleiß ist, weiß jeder Autofahrer , der abgefahrene Reifen ersetzt oder abgenutzte Bremsbeläge, Kupplungsscheiben oder gar einen verschlissenen M o t o r austauschen muß. Verschleiß belastet auch unsere U m w e l t : W a s passiert denn m i t den alten Reifen? W i e v i e l Energie kostet uns die Reibung? W e n n die Fahrer in dieses Wagens fährt, verbraucht sie ihr B e n z i n z u m großen Teil für die Reibarkeit i m M o t o r , Getriebe u n d am Fahrwerk. Diese nutzlose Reibarkeit w i r d i n F o r m nutzloser W ä r m e freigesetzt. Sie muß es bezahlen. A u c h bei der B a h n gibt es Probleme mit Re ibung u n d Verschleiß. E ins davon: D i e Berührfläche zwischen R a d u n d Schiene. Sie ist äußerst klein. D e r mehrere hundert T o n ­nen schwere Z u g beschleunigt, fährt u n d bremst auf einer insgesamt handtellergroßen Fläche. R a d u n d Schiene werden durch die beim A b r o l l e n sich wiederholenden k u r z z e i ­tig hohen Belastungen i m Oberflächenbereich durchgewalkt u n d verschlissen. So müssen die Radsätze v o n den Schienenfahrzeugen - die Bundesbahn besitzt über eine M i l l i o n Radsätze - regelmäßig gewartet werden. D i e verschlissenen Spurkränze werden wieder glattgedreht oder abgezogen u n d durch neue ersetzt.

Haushaltsgeräte

A u c h bei Haushaltsgeräten k o m m e n uns Reibung u n d Verschleiß teuer z u stehen. Kühl­schränke u n d Waschmaschinen k o m m e n häufig auf den Schrott, nur wei l ein Lager aus­geschlagen ist, Zahnräder oder Schaltstifte verschlissen sind oder ein Ge lenk wackelt. D e r Verschleißverlust v o n nur wenigen M i l H g r a m m Material bewirkt nicht selten den Total ­verlust des ganzen Gerätes.

Industrie

In der Industrie werden hohe Reibungs- u n d Verschleißverluste häufig verursacht durch fehlerhafte Werkstoffe, Montage u n d Wartung oder durch fehlerhaften Betrieb. I m rau­hen Einsatz k o m m t es z . B . bei Zahnradgetrieben oft z u Ausbrüchen an den Zahnflanken. Das mehrere Tausend D M teuere Zahnrad hat dann nur noch Schrottwert. Re ibung u n d Verschleiß sind auch i n industriellen Fertigungsprozessen reichlich vorhan­den. Be i der spanenden Bearbeitung eines Motorb locks , z u m Beispiel, w i r d v o m W e r k ­stück durch Bohren , Fräsen oder Schleifen Material abgetragen. D a b e i verlieren aber auch die Bohrer , Fräswerkzeuge u n d Schleifscheiben Material . Sie verschleißen trotz Schmie­rung u n d Kühlung viel z u schnell. N a c h relativ kurzer Zeit sind die Bohrer stumpf u n d müssen ausgewechselt werden. D i e stumpfen Bohrer , die noch genügend lang sind, wer­den nachgeschliffen. S ind die Bohrer nach mehrfachem Nachschleifen z u k u r z , k o m m e n sie auf den Schrott.

Stahlindustrie

In der Stahlindustrie gibt es besonders große Probleme mit Re ibung u n d Verschleiß. Dafür sorgt schon die K o m b i n a t i o n v o n großen Gewichten u n d Kräften, hohen Tempe­raturen u n d Geschwindigkeiten u n d eine starke Schmutzbelastung. D a s Antriebsgelenk eine W a l z e vermittelt eine Vorstel lung v o n der gewaltigen Energie, die i n W a l z w e r k e n gebraucht w i r d . In einem Warmbrei tbandwalzwerk betragen die Energieverluste durch

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Reibung 2 M i l l i o n e n K W h pro Jahr. A u c h der Verschleiß an der Walzstraße verursacht gewaltige Kosten . D i e Walzstraße muß mehrmals am T a g stillgesetzt werden, u m die Walzen , deren Oberflächen manchmal schon i n 6 Stunden verschlissen sind, auszubauen u n d herauszuziehen. D i e neuen Arbeitswalzen stehen z u m Austausch bereits daneben. Sie werden ein Stück vorgefahren u n d mit den hydraulischen Vorr ichtungen i n das W a l z ­gerüst hineingeschoben. D i e verschlissenen W a l z e n werden i n die H a l l e der W a l z e n ­schleiferei transportiert. D i e Walzenoberflächen können i m Extremfal l sehr stark ver­schlissen sein, wie dieser 20 c m breite Ausschnitt zeigt. D i e Verschleißspuren auf den Walzenoberflächen werden durch Abschleifen entfernt. E ine präzise Steuerung muß dafür sorgen, daß die Walze über die ganze Länge abgeschliffen w i r d , u m später eine exakt ebene Oberfläche des gewalzten Bleches z u garantieren. Jeder Stillstand der Walzstraße w i r d intensiv für die Instandhaltung genutzt. D e n n Stillstand verursacht Produktionsaus­fallkosten bis z u 25.000 D M pro Stunde. D e r Schaden hier ist ein defektes Lager an einem Kammwalzgetriebe.

H i e r ist es bereits demontiert. D i e Ursache des Lagerschadens ist z u klären.

E in Tribofachmann soll hinzugezogen werden.

D e r Tribologiefachmann ist Spezialist für Reibungs-, Schmierungs- u n d Verschleißpro-bleme.

Gesamtverluste in der Bundesrepublik

In der Stahlindustrie führen Reibungsprobleme durch große Kräfte, hohe Temperaturen u n d Schmutzbelastung z u erheblichen Verlusten. A u f dem Verkehrssektor verursachen die K o m p o n e n t e n z u m Antr ieb u n d z u m Abbremsen v o n Fahrzeugen die größten rei-bungsbedingten Kosten. Sie erzeugen mehr als ein Vierte l aller Verschleißverluste i n unserem Lande. A u f dem Haushaltssektor sind es unsachgemäße Bedienung, mangel­hafte W a r t u n g u n d fehlende Instandsetzung, die jeder Famil ie empfindliche Verluste bescheren. In der Industrie sind die Reibungsprobleme noch vielseitiger als die P r o d u k ­tionsverfahren. D e r T r e n d z u größeren u n d komplexeren Produktionseinheiten, z u höheren Geschwindigkeiten, z u stärkerer Automatis ierung u n d größerer Präzision stellt auch i m m e r höhere Anforderungen an die vielen verschiedenartigen Reibstellen. A l l e Verluste durch Reibung u n d Verschleiß i n der Bundesrepublik Deutschland entsprechen einem Betrag v o n etwa 40 Mi l l iarden D M , der jährlich verloren geht.

2. Tribologie

2.1. Def ini t ion der Tribologie

U m diesen immensen Verlust z u senken, beschäftigen sich viele Wissenschaftler u n d Ingenieure mit den Problemen der Reibung u n d des Verschleißes i n dem Fachgebiet T r i ­bologie. N a c h D I N 50323 ist Tribologie die Wissenschaft u n d Technik v o n gegenein­ander bewegten, i n Kontakt u n d Wechselwirkung befindlichen Oberflächen u n d zugehö­rigen Verfahren.

D e r herbeigerufene Tribologiefachmann k o m m t jetzt h i n z u .

Diskussion über Schadensfall.

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In der Industrie sind die Reibungsprobleme so komplex u n d vielseitig, daß größere Unternehmen eigene Tribologie-Stabsstellen eingerichtet haben. In einem derartigen Büro w i r d die D i s k u s s i o n fortgeführt.

In der Diskussion fällt das Stichwort „Tribosystem".

2.2. Das Tribosystem

Das Tribosystem dient z u r Beschreibung der ReibungsVerhältnisse u n d Einflußgrößen. Reibung tritt meist i n eng begrenzten Bereichen auf u n d z w a r dort, w o Oberflächen durch Kraf te inwirkungen miteinander i n Kontakt k o m m e n . Gedankl i ch grenzt m a n solche Bereiche ab u n d nennt sie „tribologische Systeme" oder k u r z „Tribosysteme". D i e Elemente eines Tribosystems sind der Grundkörper u n d der Gegenkörper. Die jeni ­gen Oberflächen, die miteinander in Kontakt k o m m e n können, sind besonders interes­sant. E i n weiteres Element kann ein Zwischenstoff sein. Beispiele herfür sind Schmieröle u n d Schmierfette oder auch andere flüssige, plastische, feste oder gasförmige Stoffe. Schließlich ist da noch das meist gasförmige Umgebungsmedium, z . B . die L u f t . S ind G r u n d - u n d Gegenkörper durch einen flüssigen Zwischenstoff getrennt, stellt sich beim gegenseitigen Verschieben der Oberflächen die Flüssigkeitsreibung ein. D e r Z w i s c h e n ­stoff bildet dabei einen Tragf i lm. O h n e Zwischenstoff berühren sich G r u n d - u n d Gegen­körper. M a n spricht dann v o n Festkörperreibung. Sind sowohl Festkörper als auch Z w i ­schenstoff-Elemente beteiligt, liegt Mischreibung vor . Be i Festkörperreibung u n d Mischre ibung besteht Verschleißgefahr.

A u f das Tr ibosystem w i r k e n n u n je nach Anwendungsfal l verschiedene Beanspruchun­gen, das sog. Beanspruchungskollektiv. Dieses Kol lek t iv besteht aus den Bewegungsarten wie Glei ten, R o l l e n , B o h r e n oder Stoßen. Ferner gehören dazu auch die Bewegungsge­schwindigkeit sowie die angreifenden Kräfte, die herrschenden Temperaturen u n d eine Reihe anderer Einflußfaktoren, wie z . B . Schwingungen.

I m Tr ibosystem tritt unter der E i n w i r k u n g dieses Beanspruchungskollektivs R e i b u n g auf. D i e Re ibung ist i m m e r mit Energieverlusten u n d häufig mit dem stets unerwünsch­ten Verschleiß verbunden. Aufgabe der Tribologie ist es nun, Ursachen u n d Einflußgrö­ßen des i n den Tribosystemen auftretenden Energie- u n d Verschleißverlustes z u ermitteln u n d Lösungswege z u r Beeinflussung dieser Verlustgrößen aufzuzeigen. D a s Tr ibosystem kann bei vorgegebenem Beanspruchungskollektiv auf G r u n d dieser Beeinflussungsmög­lichkeiten verbessert werden u n d z w a r durch die Veränderung der geometrischen Gestal­tung, durch Änderung der Werkstoffpaarung sowie durch die W a h l eines geeigneten rei­bungs- u n d verschleißmindernden Zwischenstoffs. Zwischen diesen die Reibungsver­hältnisse beeinflussenden Größen bestehen komplexe Zusammenhänge, die bei der K o n ­struktion v o n Maschinen u n d Anlagen unbedingt berücksicht werden müssen. Außer­dem sollte durch M e t h o d e n moderner Instandhaltung dafür gesorgt werden, daß auch bei länger andauerndem Betriebseinsatz einer Maschine die Funktionstüchtigkeit der T r i b o ­systeme gewährleistet ist. A n h a n d v o n Beispielen werden n u n einige Möglichkeiten z u r Verbesserung der Geometrie , der Werkstoffpaarung, des Zwischenstoffs u n d der Instandhaltung aufgezeigt.

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2.3. Beispiele zur Beeinflussung des Tribosystems durch Geometrische Gestaltung Zunächst ein Beispiel z u m Thema „Geometrie". Eines der wichtigsten Maschinenele­mente ist das Gleidager. D i e Lagerschale bildet den Grundkörper. In ihr dreht sich als Gegenkörper eine Welle . In unserem Beispiel ist es die Welle einer Turbine . I m eingebau­ten Zustand sitzt die Lagerschale etwa an der Stelle, w o rechts die Turbinenwel le auf­gebockt ist. Während des Turbinenlaufs sind Lagerschale u n d Welle durch einen dünnen Ol t ragf i lm getrennt. D i e Turbinenlager schale muß so konstruiert sein, daß eine möglichst gleichmäßige Druckverte i lung gegeben ist. Umfangreiche Rechenprogramme dienen dazu, das Verhalten v o n Gleidagern mit unterschiedlicher Geometrie z u simulieren. Diese Welle ist i n starren Lagerschalen gelagert. W i r d die Welle durch die Last i n der M i t t e durchgebogen, bilden sich an den Kanten der äußeren Stützlager D r u c k s p i t z e n . Dagegen werden bei elastisch gestalteten Lagerschalen die D r u c k s p i t z e n vermieden u n d infolge­dessen eine Unterbrechung des Oltragfi lms verhindert.

E i n weiteres Beispiel zur „Geometrie": Äußerst genau gestaltet werden Gleitringdichtungen. Sie dienen z u m A b d i c h t e n v o n WeUendurchfuhrungen, z . B . an H o c h d r u c k p u m p e n . D i e W i r k s a m k e i t der seitlichen Dichtflächen hängt v o n exakter Berechnung u n d dem Welligkeitsverlauf der Fläche ab. E s handelt sich dabei u m wenige Mikrometer tiefe M u l d e n , die den Druckaufbau i m Flüssig­keitsfilm gewährleisten. U m die D i c h t w i r k u n g z u überprüfen, werden die Gle i t r ingdich­tungen i n einem speziellen Prüfstand eingebaut. - D e r Testlauf kann beginnen. - D i e gemessenen Größen werden zur O p t i m i e r u n g der Gleitr ingdichtung wieder i m Rechner gespeichert.

Werkstoff

N u n einige Beispiele z u m T h e m a Werkstoff, die verdeudichen, wie durch Verändern des Werkstoffs die tribologischen Verhältnisse verbessert werden. Be i der Förderung v o n Braunkohle i m Tagebau tragen riesige Schaufelradbagger Deckschichten, Braunkohlen­flöze u n d Zwischenschichten ab. Sehr hoch ist der Verschleiß an den Baggerschaufeln, insbesondere an den Schaufelecken, die deshalb z u m leichten Austausch nur aufgesteckt u n d verschraubt sind. H i e r w i r d eine verschlissene Schaufelecke abgezogen. A u s Unfallschutzgründen w i r d sie an den K r a n gehängt. D i e Ecke ist durch das Eindr ingen i n harte Bodenschichten total verschlissen. U m den Verschleiß z u senken, werden auf die neuen Schaufelecken H a r t ­metallschichten aufgeschweißt. D i e fertige Schaufelecke: Schweißraupen aus verschleiß­fester Legierung liegen in Reihen dicht aneinander. E i n Austausch der Schaufelecke kann je nach Einsatzart des Baggers u n d der Bodenbeschaffenheit mehrmals i m Jahr erforder­l ich sein. E i n weiteres Beispiel zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit sind beschichtete Schneidplatten für die spanende Bearbeitung, wie z . B . Fräsen u n d D r e h e n . Dieser Fräser hat noch unbeschichtete Schneidplatten u n d w i r d hier beim Spanen v o n Stahl schon bei relativ geringer Schnittgeschwindigkeit schnell stumpf. W e n n am Fräser die hier sichtba­ren Schneidkanten der Schneidplatten verschlissen sind, kann jede Platte noch zweimal gewendet werden. Eine wesendiche Erhöhung der Schnitdeistung u n d Standzeit erreicht

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man durch Beschichten der Schneidplatten mit T i tan-Carb id . Für diese chemische Beschichtung mit einer wenige M i k r o m e t e r dünnen Schicht werden die Schneidplatten i n Körben übereinander gestapelt. Über den Stapel w i r d zur gasdichten A b s c h i r m u n g ein Behälter gestülpt. E r dient als Reaktionskammer, i n die gasförmige T i t a n - u n d Stickstoff­verbindungen eingeleitet werden. Anschließend w i r d über den gasdichten Behälter ein O f e n z u r A u f h e i z u n g der Reaktionskammer gesetzt, so daß sich die Gase bei ca. 1000°C zersetzen u n d auf den Schneidplatten eine sehr harte Ti tan-Carbid-Schicht bilden. Danach w i r d der O f e n wieder hochgefahren. D i e abgekürzte Bezeichnung dieses Verfah­rens C V D bedeutet C h e m i c a l V a p o u r Deposi t ion , chemische Abscheidung aus der Gas ­phase. N a c h dem Abkühlen des Reaktionsbehälters u n d seines Inhalts w i r d der Behälter entfernt. D i e Ti tan-Carbid-Schicht macht die Schneidplatten z u standfesteren W e r k z e u ­gen. M i t ihnen kann die Fräsgeschwindigkeit verdoppelt werden, u n d dennoch bleiben die Schneiden länger scharf. Z u m Vergleich noch einmal das Fräsen mit unbeschichteten Schneidplatten u n d jetzt wieder mit beschichteten Schneidplatten. N u n noch ein Beispiel z u r Erhöhung der Verschleißfestigkeit i m Großmotorenbau. M i t einem Hochleistungs-Laser w i r d die Lauffläche der Zylinderbuchse eines Schiffsdiesel­motors gehärtet. M i t konventionellen Methoden war früher das Härten wegen z u star­k e m Härteverzug nicht möglich. H i e r w i r d mit einem verfahrbaren Spiegelsystem ein Laserstrahl auf die Lauffläche gelenkt u n d zeilenweise geführt. D i e so gehärtete Z y l i n d e r -laufbahn ermöglicht jetzt mehrfach längere Betriebszeiten der Schiffsdiesel, ehe die B u c h ­sen ausgewechselt werden müssen.

Schmierstoff

B e i m Senken v o n Verlusten durch Reibung u n d Verschleiß spielt der Zwischenstoff i n vielen Fällen eine noch bedeutendere Rol le als der Werkstoff. Schmierstoffproben aus dem Betrieb sollten regelmäßig untersucht werden, u m sicherzustellen, daß sie den Anforderungen gerecht werden. Je nach Einsatzgebiet werden hohe oder niedrige V i s k o ­sitäten sowie hohe Scherfestigkeit bei sehr unterschiedlichen Drücken u n d Temperaturen gefordert. D e r Schmierstoff soll alterungsbeständig, unempfindlich gegen Verunre in i ­gung, schwer entflammbar u n d natürlich auch nicht toxisch sein. Dies sind nur einige der vielen Anforderungen. H i e r w i r d an einer Schmieröl-Probe eine Spektralanalyse v o r ­genommen, u m die Veränderungen des Öls durch Betriebseinsatz i m Vergleich z u einem Frischöl festzustellen. D i e moderne Analysetechnik erst ermöglicht präzise Qualitäts­sicherung u n d exakte Forschung an Schmierstoffen, damit HocHeistangsmaschinen -v o n der Turb ine bis z u m Industrieroboter - richtig laufen. D i e Lichtintensitätskurven i n Abhängigkeit v o n der Wellenlänge lassen auf die chemische Zusammensetzung schließen u n d zeigen i m Vergleich z u m Frischöl den Unterschied.

Eine wichtige A n f o r d e r u n g an die Schmierstoffe: Sie müssen sich mit dem Werkstoff des G r u n d - u n d Gegenkörpers vertragen. H i e r z u ein einfacher Test: A u f vier verschiedene Kunststoffe w i r d ein i n der Feinwerktechnik gebräuchliches O l gegossen. D a s Ergebnis ist nach einigen W o c h e n z u sehen. N a c h den Ölen bilden die Fette die zweitgrößte Schmierstoffklasse. Sie bestehen über 80 °/o aus Ölen u n d einem Eindicker , der wie ein S c h w a m m wirk t . Schmierfette werden bevorzugt i n Wälzlagern eingesetzt u n d wenn sich bei z u langsamer Bewegung kein

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tragfähiger Öl-Trennfilm ausbilden kann. Außerdem schützen sie i n einfachen Fällen das Lager vor Schmutzeintritt. D e r Betriebseinsatz neu entwickelter Schmierstoffe setzt sehr viele physikalisch-chemische Untersuchungen u n d Anwendungstests, wie z . B . i n diesem Wälzlagerprüfstand, voraus. A l l e wichtigen Schmierstoff-Kennwerte müssen ermittelt u n d dokumentiert werden, damit m a n später dem Betreiber entsprechende Garantien geben kann. B e i m Hochlaufen der Wälzlager w i r d durch Erlöschen v o n Leuchtdioden angezeigt, w a n n anstelle der Mischreibung die verschleißfreie, flüssige R e i b u n g einsetzt.

E ine besondere Schmierstoffklasse bilden die Hydraulikflüssigkeiten. Für den Einsatz unter Tage sollten sie eigendich unbrennbar sein. W i e weit die E n t w i c k l u n g i n dieser Richtung fortgeschritten ist, zeigt der Brenntestvergleich v o n z w e i verschiedenen Hydraulikflüssigkeiten mit gleichen Schmierstoffeigenschaften. H i e r z u w i r d zunächst ein sehr häufig verwendetes, normales Hydrauliköl auf Mineralölbasis getestet. Es ist leicht entflammbar. So kann sich ein U n f a l l i m Bergwerk z u r Katastrophe entwickeln. Z u m Vergleich jetzt eine schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeit. Erst am Schluß des Tests beginnen bestimmte Anteile der Flüssigkeit stärker z u brennen. E ine unbrennbare u n d ungiftige Hydraulikflüssigkeit, die auch noch gut schmiert, gibt es bis jetzt noch nicht.

Instandhaltung

D u r c h Instandhaltung schließlich werden alle z u v o r erreichten Verbesserungen an den Tribosystemen auf Dauer erhalten, u n d erst dadurch ist ein zuverlässiger Betrieb v o n Maschinen u n d Anlagen über längere Zeit möglich. Instandhaltung, das bedeutet W a r ­tung, Inspektion u n d Instandsetzung. Das H a u p t p r o b l e m der Inspektion besteht darin, den Zustand der vielen Tribosysteme z u erkennen, u m rechtzeitig v o r einem Versagen Gegenmaßnahmen ergreifen z u können. H i e r z u gehört zunächst die Überwachung des Schmierstoffes hinsichtlich seiner Gebrauchseigenschaften, aber auch hinsichdich mögli­cher Verschleißpartikel v o n G r u n d - u n d Gegenkörper. M i t einem anderen Verfahren läßt sich feststellen, wie stark ein Wälzlager verschlissen ist. A n den Schwingungen, die beim Betrieb eines Lagers entstehen, kann m a n erkennen, wie gut es noch läuft, welche Ursache bei einem schlechten L a u f möglicherweise vorliegt u n d w a n n das Lager spätestens erneuert werden muß. D a s Verfahren beruht i m P r i n z i p auf der Messung des Schwingungsfrequenzspektrums, das mitReferenzdaten verglichen w i r d .

A h n l i c h e Diagnoseverfahren werden auch bei der Instandhaltung i n der Luftfahrt ange­wendet. H i e r ist die Instandhaltung schon aus Sicherheitsgründen w o h l die aufwendigste überhaupt. Immer wieder müssen alle Aggregate auf ihre Betriebszuverlässigkeit h i n untersucht werden. Z . B . w i r d geprüft, ob an den Tr iebwerken die Kraftstoffpumpen V e r ­schleiß aufweisen, der die Funktionssicherheit beeinträchtigen könnte. Sie Hegen schwer zugänglich zwischen anderen Aggregaten u n d mußten früher bei jeder Inspektion aus­gebaut u n d zerlegt werden. Jetzt werden die Kraftstoffpumpen nur noch ausgebaut u n d zerlegt, w enn die schnell am Flugzeug durchzuführende Schwingungsanalyse der Kraf t ­stoffpumpe entsprechende Ergebnisse liefert. N o c h weit v o r dem Ausfa l l der P u m p e konnten mit H i l f e dieses Diagnoseverfahrens Kavitationsschäden an den Zahnflanken aufgespürt werden.

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3. Forschung i n der Tribologie

D i e Grundlage für tribologische Maßnahmen z u r Verminderung der K o s t e n u n d Folge­kosten bildet i n allen vier Bereichen die Forschung. Sie muß konsequent fortgeführt wer­den, u m die hohen volkswirtschaftlichen Verluste v o n z u r Zei t 40 M i l l i a r d e n D M i m Jahr drastisch z u senken. D a s Bundesministerium für Forschung u n d Technologie hilft durch Förderung einer Reihe v o n Forschungsvorhaben. D a z u gehören Untersuchungen über die Beschichtung v o n Oberflächen mit sehr harten Werkstoffen durch physikalisches Abscheiden aus der Gasphase oder P V D - V e r f a h r e n . B e i m Transport v o n hartem Schütt­gut tritt erheblicher Verschleiß auf. Für die Erforschung dieses Abrasiwerschleißes sind noch zahlreiche grundlegende Versuche durchzuführen. Das ist hierzu die Versuchsappa­ratur. D i e Verschleißspuren unter dem Rasterelektronenmikroskop. Ebenso gelten die Forschungsbemühungen vielen hochbelasteten Tribosystemen, deren Gleitflächen i m rauhen Betrieb z u schnell verschleißen. Prüf standversuche mit entsprechenden W e r k ­stoffproben werden unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. D i e Erkennt ­nisse aus diesen Versuchen helfen, den Verschleiß z u verringern. Für neue Werkstoffpaa­rungen muß das Reibverhalten erst noch unter den verschiedensten Bedingungen ermit­telt werden. Dafür sind langwierige Versuchsreihen erforderlich.

4. Technologietransfer i n der Tribologie

D a m i t die neuen Erkenntnisse i n allen Bereichen der Tribologie vermehrt z u r A n w e n ­dung k o m m e n u n d z u Innovationen führen, ist ein entsprechender Technologietransfer notwendig. U m Unternehmen bei der Lösung ihrer tribologischen Probleme z u unter­stützen, ist die Tribologieberatungsgesellschaft gegründet worden. D i e E inr ichtung die­ser Beratungsstelle erfolgte mit finanzieller Unterstützung durch das Bundesminister ium für Forschung u n d Technologie u n d durch die Gesellschaft für Tr ibologie , die i n der B u n ­desrepublik Deutschland das fachwissenschafdiche F o r u m für dieses neue Wissensgebiet ist. Vie le kleine u n d mittelständische Unternehmen haben keine eigenen Tribologiefach-leute u n d sind deshalb bei vielen Problemen auf H i l f e v o n außen angewiesen. H i e r kann die Tribologieberatungsgesellschaft durch Fachinformation, Beratung u n d Vermit t lung v o n Experten helfen. Es gibt viele Stellen, die Erfahrung auf einem Spezialgebiet der Tribologie haben. Diese Erfahrungen sollten allen, die nach Lösungen suchen, zugute k o m m e n .

Re ibung u n d Verschleiß sind nicht unabänderlich, sondern sie sind für Wissenschaftler u n d Techniker eine Herausforderung, Energien u n d Rohstoffe effektiver z u nutzen.

Literatur

[1] D G M K : „Tribologie". Eine Gliederung und Erfassung des Fachgebietes. FB 218. Hamburg 1977.

[2] G Ü L K E R , E . : Tribotechnik in der Praxis - Aufgaben, Organisation und Erfolge. VDI-Bericht N r . 185, (1972), 27-34.

[3] G Ü L K E R , E . : Verschleiß und Energieverluste bekämpfen - Aufgaben der Tribotechnik, 7. Stahl und Eisen, 98, 22 (1978), 1188-1190.

[4] H A N S E N , J . (Hrsg.): „Tribologie" 1. Fortschreibung der BMFT-Studie . D F V L R Köln 1985. [5] J O S T , P . H . : Lubrication (Tribology) — A Report of the Present Position and Industry Needs,

Department of Education and Science. London 1966.

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I N S T I T U T F Ü R D E N W I S S E N S C H A F T L I C H E N F I L M • G Ö T T I N G E N 1987

Film C 1619 Tribologie - Reibung, Verschleiß, Schmierung

Ergänzung der Begleitveröffentlichung, Ausgabe 1986

English Version of the Spoken Commentary Tribology - Friction, Wear, Lubrication

W h e n an aircraft lands and its wheels touch the runway, there is considerable wear accompanied by clouds of abraded, burnt rubber. Wherever there's movement, there's also frict ion: i n ships, aircraft, motor vehicles as wel l as railways. Fr ic t ion costs energy and causes heavy overheads through wear. E v e r y car driver knows h o w expensive wear is when he has to change tyres or replace w o r n brake linings, clutch-plates or even a w o r n -out engine. Wear can also adversaly affect our environment. W h a t happens to w o r n - o u t tyres? H o w m u c h energy is wasted through friction? T h e driver of this car uses the petrol mainly to overcome friction i n the engine, the gearbox and the transmission gear. Th is wasted frictional energy is released as wasted heat. She has to foot the b i l l . Rai lways are also prone to problems w i t h friction and wear. In particular, the contact area between wheel and rail is extremely small. A train weighing several hundred tons accelerates, travels and brakes o n a total surface area of little more than that of the p a l m of a hand. W h e e l and rail are subject to repeated high intermittent loads while rol l ing and their surfaces rub and wear. That's w h y the wheel sets o n rol l ing stock have to be changed at regular intervals. Federal G e r m a n Rai lways o w n more than a m i l l i o n wheel sets. T h e w o r n wheels are either reground - or the tyres removed and replaced b y new ones. Fr ic t ion and wear are highly detrimental to household appliances too. Refrigerators and washing machines often end up o n the scrap heap because of w o r n bearings, gears or actuating pins, or s imply because a l ink has w o r k e d loose. Wear losses of on ly a few m i l l i ­grams of material often cause the total loss of the whole appliance. In industry heavy losses through friction and wear are frequendy due to faulty materials or assembly; inadequate maintenance, or to misuse. U n d e r arduous m n n i n g conditions gears, for example, often show damage o n their tooth flanks. A gear wheel that cost seve­ral thousand marks is then w o r t h on ly its scrap value. Fr ic t ion and wear all too often occur i n manufacturing engineering as wel l . D u r i n g machining of an engine cylinder block, material is removed f r o m the casting b y boring, mi l l ing or grinding. B u t the dr i l l bits, mi l l ing cutters and grinding wheels also suffer loss of materials. In spite of lubrication and cooling they wear out far too quickly . Af ter a relati­vely short time the drills become blunt and have to be replaced. T h e dr i l l bits that are still long enough are re-sharpened. Those drills that are too short after repeated sharpening, are scrapped.

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The steel industry is particularly prone to problems caused b y frict ion and wear. T h e y are largely due to a combination of high loads and large transmitted forces, high temperatures and speeds, as wel l as considerable contamination. T h e high forces applied i n a rol l ing m i l l can be appreciated f rom this ro l l drive coupling. O n a wide-strip hot m i l l , the energy lost through friction can amount to two mi l l ion kilowatt hours per annum. Wear of the rolls themselves is also enormously expensive. T h e m i l l has to be shut d o w n several times a day so that the rolls, whose surfaces are often w o r n after on ly six hours ' operation, can be removed and replaced. The new w o r k rolls are already o n standby next to the m i l l stand. T h e y are m o v e d over and then inserted into the m i l l stand using a hydraulic manipulator. The w o r n rolls are taken to the rol l -grinding shop. In extreme cases the ro l l surface can be heavily w o r n , as this 20 c m close-up view demonstrates. T h e score marks o n the ro l l sur­face are removed by grinding. The grinding depth along the whole length of the ro l l must be precisely controlled, to ensure even thickness and surface finish of the rol led strip. Intensive maintenance is carried out every time the m i l l is shut d o w n . B u t shut d o w n causes product ion losses, up to 25,000 marks per hour.

In this case the shut d o w n is due to a faulty p in ion bearing. T h e bearing has n o w been stripped and the engineers are holding an inquest into the reasons for its failure. Since it is a difficult engineering problem they decide to consult a tr ibology specialist. T h e tribologist is a specialist i n problems associated w i t h friction, lubrication and wear. In the steel industry friction is the cause of major losses - a consequence of the high trans­mission forces involved; also the high temperatures and contamination. In the transport sector the major contributors to frictional losses i n vehicles are the dr iv ing and braking parts. These are responsible for 25% of all wear i n the Federal Republ ic of G e r m a n y .

In households, major losses result f r o m incorrect operation, inadequate maintenance and faulty repair. Frictional problems arising in industrial applications can be more varied than the product ion processes themselves. The trend towards larger and more complex p r o ­duction units, higher speeds, increased automation and higher precision, place ever increasing demands o n the various frictional surfaces. T h e sum total of losses i n the Fede­ral Republ ic of G e r m a n y as a consequence of friction and wear is about 40,000 m i l l i o n marks per annum.

In order to min imize these immense losses, many scientists and engineers are tackling the problems of friction and wear i n the relatively new science of T r i b o l o g y . B y definition of the G e r m a n and the Brit ish Standards Institution tr ibology is the "science and technology of interacting surfaces in relative mot ion and the practices related thereto". T h e tr ibology specialist comes o n the scene and assesses the damage. H e finds that the p in ion journal shows considerable wear and that the bearings are w o r n through. Meta l transfer to the journal indicates that the bearings have been w o r n to des­truction. Frict ional effects in engineering are so varied and complex that m a n y large c o m ­panies are n o w setting up their o w n Tr ibo logy Sections.

T h e discussion is continued i n one such department. T h e maintenance engineer explains the posit ion to the Tribologist : it is the second time this year that damage of this nature has occurred to the bearing, and the downtime these failures have caused has been consider-

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able. T h e Des ign Engineer explains that the lubrication system had been i m p r o v e d after the previous failure. The T r i b o system defines the conditions of friction and the factors affecting it. Fr ic t ion generally occurs between very small , discrete areas of contact "asperities" w h e n surfaces are forced into contact w i t h one another. Such areas are theoretically defined as " t r ibolo-gical systems" or "tribo-systems" for short. The elements of a tribo-system are the Pr imary Element and the O p p o s i n g Element. T h e surfaces w h i c h m a y come into contact w i t h one another are of special interest. A further element may be an Intermediate Material . It may, for example, be a lubricating o i l or grease, or some other fluid; a solid (such as plastic or a soft metal) or a gaseous substance. Final ly , there is the environment w h i c h i n most cases is gaseous, that is the surrounding air. If the P r i m a r y and O p p o s i n g elements are separated by a fluid, fluid fr ict ion occurs w h e n the opposed surfaces move i n relation to one another, the intermediate material forms a separating f i l m . In the absence of a separating f i lm the t w o interacting surfaces w i l l be i n intimate contact a state k n o w n as "unlubricated" friction. If elements of the solid bodies as wel l as the intermediary are present, we speak of " m i x e d " or " b o u n d a r y " l u b r i ­cation. B o t h d r y unlubricated sliding and " m i x e d " lubrication produce wear. A tribo-system is subjected to various stresses, depending o n the circumstances: These stresses make up the resultant stress. T h e resultant stress w i l l arise f r o m a combination of m o t i o n patterns, such as: sl iding, rol l ing, cutting or impact. In addition, other relevant factors are speed, applied loads ambient temperature and also vibration. A s a consequence of all these relevant factors the tribo-system produces friction. Fr ic t ion always gives rise to the dissipation of energy and unwanted wear. T h e task of tr ibology is therefore to determine the causes and the factors responsible for energy loss and f ind ways of influencing these loss factors. F o r given loading conditions, a tribo-system can be i n ­fluenced positively b y m o d i f y i n g the contacting geometry by altering the composi t ion of the interacting surfaces or material combination as wel l as by the choice of a more appro­priate " intermediary" , to reduce frict ion and wear. There is a complex inter-dependence between these three factors influencing friction. T h e y all have to be taken into considera­t ion i n designing machinery and plant. In addition, improved standards of maintenance should ensure that a tribo-system remains effective throughout the lifetime of a machine. Some examples w i l l serve to show h o w improvements can be obtained by changing the geometry, the material combination, the intermediary; and by i m p r o v i n g maintenance procedures. T o start w i t h , here's an instance of improved geometry: A n important component i n mechanical engineering is the journal or plain bearing. The sleeve represents the P r i m a r y Element, i n w h i c h the shaft rotates as the O p p o s i n g Element. In our example it is the shaft of a turbine. W h e n i n posit ion, the split bearing w o u l d enclose the shaft at the point where it is n o w supported b y the trestle. W h e n the turbine is in operation, the bearing and the shaft are separated by a thin supporting f i lm of lubricating o i l . The turbine bearing must be designed to ensure the best possible load distribution. Comprehensive computer p r o ­grams serve to simulate the behaviour of bearings of different configurations. Th is shaft runs i n r igidly mounted bearings. W h e n a load is applied to the centre of the shaft, it causes

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it to sag, and the outer edges of the bearings are subject to concentrated loading. F lexibly mounted bearings o n the other hand, avoid such load concentrations and thus the l u b r i ­cant f i lm i n the bearing remains unbroken. A n o t h e r example of the importance of " G e o m e t r y " : the faces of mechanical face seals are manufactured to extremely close tolerances. Such seals are used i n high-pressure pumps, for example. The sealing efficiency of the mating surfaces depends o n the dimensional accuracy and the surface finish of the counterface. In this case it has undulations o n l y a few micrometres i n depth, w h i c h facilitate the generation of a pressure profile i n the lubricant f i lm. T o test the sealing effect the mechanical free seals are put o n a special test bench. T h e test r u n can begin. The experimental data are stored i n a computer and can be used to improve the design of the mechanical free seal. A few examples f r o m the materials sector illustrate h o w changing material combinations can give improvements in tribological performance. In open cast coal min ing , extremely large bucket-wheel excavators are used to strip the overburden and to mine the seams of b r o w n coal. Wear is exceptionally high o n the bucket teeth, w h i c h are screwmounted to facilitate easy replacement. H e r e a w o r n bucket tooth is due for replacement. A s an accident-prevention measure it is held i n posit ion b y a crane. A s a result of digging the hard soil the tooth is completely w o r n away (it is abrasive wear). In order to reduce wear, the new bucket teeth w i l l be hard-faced. T h e finished bucket tooth. The surface coating is built up b y laying d o w n a wear-resistant alloy i n a series of close-packed rows. Bucket tooth replacement m a y be necessary several times a year, depending o n the excavator duty and the type of soil .

A further example of opt imizing wear-resistance is the use of hard-faced tool bits i n metal cutting operations, such as mi l l ing or turning. T h e tool bits i n this mi l l ing cutter are uncoated and it soon gets blunt, even while mi l l ing steel at relatively l o w cutting speed. Each tool bit has three cutting edges so that, when a cutting edge is w o r n , the bit can be indexed. A marked improvement i n cutting efficiency and cutting life of the tool is achieved by coating the tool bits w i t h titanium carbide. B y chemical deposition a thin lay­er of a few micrometers thickness is coated onto the tool bits, w h i c h here are stacked i n open baskets one above the other. The stack is then covered w i t h a gas-tight protective container, w h i c h serves as a reaction chamber into w h i c h the gaseous t i tanium and nitro­gen c o m p o u n d is introduced. A furnace is then lowered over the gas-tight container to heat up the reaction chamber, so that the gases decompose at about 1 0 0 0 ° C and deposit an ultra-hard layer of titanium carbide onto the tool bits. F inal ly , the furnace is lifted off again. T h e process is k n o w as Chemical V a p o u r Deposi t ion , or C V D for short. Af ter the reaction chamber and its contents have cooled d o w n , the container is removed. T h e gol­den-coloured titanium carbide coating turns the cutting bits into m u c h tougher tools. T h e mi l l ing speed can n o w be doubled, and even then the cutting edges remain sharp for m u c h longer periods. A comparison between mi l l ing w i t h uncoated cutting bits and again w i t h coated tool bits. H e r e is another example of enhanced wear-resistance: this time i n the area of marine and stationary engines. A high-performance laser hardens the bore of a cylinder-l iner of a marine diesel engine. Conventional methods of heat treatment w o u l d not be used because

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they w o u l d have resulted i n distortion. W i t h the help of a mobile reflector system, a laser beam is directed at the contact surface and scanned line-by-line. T h e y cylinder bore thus hardened enables the engine to operate for m u c h longer periods before the liners need replacing. In reducing losses through friction and wear, the intermediate material (the "lubricant") is often more important than the materials combination. Samples of lubricants should be taken f r o m the workshops at regular intervals, to ascertain whether they are still do ing their job properly . Depending o n the application, they are required to have either high or l o w viscosity, as wel l as high shear strength, under widely different pressure and tempera­ture conditions. T h e lubricant should not deteriorate w i t h time; it should be tolerant of contaminants. It should have a high flash-point and, of course it must be non-toxic . These are on ly a few of the requirements. H e r e a spectroscopic analysis of an o i l sample is being carried out to determine the changes that have occurred i n service. State-of-the-art analy­tical techniques are a pre-requisite for precise quality assurance and detailed research o n lubricants. These help to ensure the smooth-running of high-performance machines, ranging f r o m turbines to industrial robots. Displays of light-intensity as a function of wavelength give an indication of the chemical composit ion of oils and of the changes that have taken place i n service. O n e important requirement w h i c h lubricants must fulfil is that they are compatible w i t h the materials of the tribo-system. This can be tested quite s imply : F o u r different plastic materials are immersed i n a type of o i l frequendy applied in precision engineering. T h e results are clearly evident after o n l y a few weeks. Lubricat ing greases are the second most important class of lubricants. T h e y consist of 80% l iquid lubricants containing a thickening or gelling agent, w h i c h acts l ike a sponge. Lubricat ing grease finds applications i n anti-friction bearings and i n situations where movement is so s low that a supporting o i l film cannot be maintained. T h e y can also p r o ­tect bearings against ingress of dirt . N e w lubricants cannot be used i n practice unt i l they have been subjected to exhaustive physical and chemical analyses and practical tests, such as for example i n this rolling-element bearing test r ig. A l l relevant lubrication data are recorded and stored for future reference. If boundary or (mixed) lubrication is replaced b y " f u l l - f i l m " lubrication, L E D ' s indicate the break in the electrical circuit. H y d r a u l i c fluids are an important class of lubricants. F o r min i ng applications they should be non-flammable. T h e comparative flammability test between two hydraulic fluids w i t h the same lubricating properties shows h o w far research has progressed i n this direction. First a c o m m o n type of hydraulic fluid based o n a mineral o i l is tested. It is highly flamm­able, w h i c h could easily lead to disastrous accidents i n underground min ing . In compar i ­son a fire-resistant hydraulic fluid. Certain constituents of the fluid do not begin to b u r n unti l the test is almost concluded. A non-flammable and non-toxic hydraulic fluid w i t h good lubricating properties has yet to be developed. Final ly , maintenance is the best w a y to obtain the benefits of the improvements made i n the design of the tribo-system and thus ensure safe and reliable long-term operation of machinery and plant. Maintenance includes servicing, inspection and repair. The main problem associated w i t h

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inspection is that of being able to assess the condit ion of the m a n y tribo-systems, so that action can be taken before failure occurs. Essentially, this pr imar i ly involves moni tor ing lubricants i n respect of their functional properties and also detecting possible wear par­ticles w h i c h are frequently abrasive. A n o t h e r method enables us to determine the extent of wear i n an anti-friction bearing. The vibrations that occur while a bearing is in operation give an indication of h o w accura­tely it is still running; what reasons there may be for uneven running; and w h e n the bear­ing needs renewing. The test procedure relies o n the principle of measuring the oscillation frequency spectrum and comparing it w i t h reference data. Similar diagnostic tests are applied during scheduled maintenance i n aviation. In this case service is of paramount importance for safety reasons, and exhaustive test routines have been developed to check the reliability of all m o v i n g systems. Checks are made, for example, o n engine fuel pumps to detect any wear that could hazard the reliable operation of the unit. The pumps are mounted behind the other units, and are thus not easily acces­sible. Previously they had to be taken out and dismanded at every inspection. N o w the fuel pumps are o n l y removed and stripped d o w n if the vibrational analysis, performed quickly i n situ, indicates the need for a closer inspection. L o n g before p u m p failure occurs, this diagnostic procedure leads to the discovery of cavitation pits o n the tooth flanks. T h e fundamental component of all tribological measures, aimed at reducing initial cost and consequential losses in all four sectors, is research. It must be pursued w i t h persever­ance, i n order to achieve a drastic reduction i n the exorbitant loss to the Federal G e r m a n economy. This loss accounts for approximately D M 40,000 m i l l i o n per annum. T h e F e d ­eral M i n i s t r y of Research and Technology is backing a whole range of research projects. A m o n g these are studies to investigate the possibility of coating surfaces w i t h extremely hard materials by the Physical Vapour Deposi t ion process, or P V D . Considerable wear occurs during the bulk transportation of solids, for example b y conveyors. M o r e funda­mental experiments are required i n order to obtain data relevant to this sort of abrasive wear. H e r e is the experimental set-up designed for this purpose. Abrasive wear scars under the scanning electron microscope. Research is also directed at a number of highly-stressed tribo-system where surfaces i n sliding contact wear out too quickly under the severe operating conditions. Test bench experiments w i t h the appropriate material samples are carried out under various extreme conditions. T h e knowledge gained f r o m these experiments helps to combat wear. F o r new material combinations we first have to ascertain frictional behaviour under a wide range of different conditions. Exhaustive test programmes are necessary.

In order to ensure that new findings in every sector of tr ibology are applied and lead to innovations, we need to step up technology transfer. In order to provide assistance, i n solving tribological problems, the Tr ibo logy advisory service was set up . T h e establish­ment of this advisory body was made possible b y a grant f r o m the Federal M i n i s t r y of Research and Technology and the Tr ibo logy Society, w h i c h is the Federal G e r m a n f o r u m for all aspects of this new branch of science. Expert advice is provided o n all aspects of t r i ­bology and solutions are offered for specific problems.

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M a n y small and medium-sized firms cannot afford their o w n tribology specialists and are therefore dependent o n external help and advice. The Tr ibo logy A d v i s o r y Service fulfils a m u c h needed role i n provid ing specialised information and guidance as wel l as putting firms in contact w i t h experts i n specific fields. There are many places where specialist k n o w - h o w o n particular aspects of tr ibology has been accumulating. This knowledge should be placed at the disposal of those w h o are seeking for solutions. U n w a n t e d frict ion and wear are not inevitable; they are a challenge to science and technology to a l low us to make fuller and more efficient use of available sources of energy and raw materials.

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