Обеспечение эксплуатационной надежности механических систем

ОБЕСПЕЧЕНИЕ 

ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ 

НАДЕЖНОСТИ 

МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

А.В. ТИТЕНОК

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся по инженерным 

направлениям подготовки (квалификация (степень) «бакалавр») 

(протокол № 6 от 08.06.2022)

Москва
ИНФРА-М

2023

УДК 629.017:621.891(075.8)
ББК 34.445я73
 
Т45

Титенок А.В.
Т45 
 
Обеспечение эксплуатационной надежности механических систем : 
учебное пособие / А.В. Титенок. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 
302 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1096388.

ISBN 978-5-16-016324-6 (print)
ISBN 978-5-16-108622-3 (online)
В учебном пособии рассмотрены номенклатура, эксплуатационные характеристики и показатели качества топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей, влияющих на технико-экономические показатели 
машин.
Предложен аналитический подход к исследованию развития технического проекта.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено студентам инженерных специальностей всех форм 
обучения, слушателям системы повышения квалификации и профессиональной подготовки, магистрантам и аспирантам, специалистам в области 
различных транспортно-технологических процессов и средств их реализации.

УДК 629.017:621.891(075.8)
ББК 34.445я73

Р е ц е н з е н т ы:
В.Н. Сидоров, доктор технических наук, профессор колесных машин и прикладной механики Калужского филиала Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (национального исследовательского университета);
А.В. Киричек, доктор технических наук, профессор, проректор 
по перспективному развитию Брянского государственного технического университета

ISBN 978-5-16-016324-6 (print)
ISBN 978-5-16-108622-3 (online)
© Титенок А.В., 2022

ВВедение

Материал учебного пособия основан на трудах предшественников и деятельности автора в течение ряда лет. В нем используется введенный автором термин «техническая трибонапряженность», который означает наличие разнообразных технических негативов, в основе которых заложены явления трения и износа. Все 
остальные термины соответствуют определениям, общепринятым 
в трибологии1.
Большинство машин (85—90%) выходит из строя вследствие износа их деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание 
машин в несколько раз превышают их сто имость: автомобилей — 
в 6 раз, самолетов — почти в 5 раз, станков — до 8 раз. На ремонт 
тракторов затрачивается почти в 4 раза больше производствен ных 
мощностей, чем на их изготовление.
Трудоемкость ремонта и технического обслуживания многих 
строи тельных и дорожных машин за срок их службы примерно 
в 15 раз превы шает трудоемкость изготовления новых изделий. Создание машин, не требу ющих капитальных ремонтов за весь срок 
их службы, и значительное сокращение текущих ремонтов по своей 
технико-экономической эффек тивности равноценны удвоению 
мощности машиностроительных заво дов и увеличению выпуска 
металлов на многие миллионы тонн в год. Заметим, что 1/3 станочного парка находится на балансе ремонтных предприятий. На запасные части расходуется более 1/5 выплавляемого металла. Снижение негативного влияния трения и износа в машиностроении 
является актуальным направлением инженерной деятельности. 
Автор выстроил структуру пособия таким образом, чтобы последовательно все более заинтересовывать будущих читателей, в том 
числе с учетом их опыта, квалификации и потребностей. Есть надежда, что это в определенной мере удалось.
Книга написана в порядке личной инициативы и составлена 
таким образом, чтобы максимально помочь студенту, желающему 
освоить изучаемую дисциплину. Последовательно рассматриваются 
материалы о макромеханизме внешнего трения, износе и смазке 
рабочих поверхностей деталей машин. Глава 8 «Конструктивные 
способы снижения износа» в основном ориентирована на тех, кто 

1 
См., например: Основы трибологии (трение, износ, смазка): учебник 
для технических вузов / А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, И.А. Буше [и др.]; 
под общ. ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2001.

занимается наукой, — магистрантов и аспирантов, поэтому имеет 
соответствующую структуру. Даны сведения о производстве и применении эксплуатационных смазочных материалов, топлив, рабочих жидкостей, приведены справочные материалы.
В результате изучения пособия студенты будут:
знать
• 
процессы трения, изнашивания и смазки деталей машин;
• 
методы снижения трения и износа на примере элементов 
подъемно-транспортной и сельскохозяйственной техники;
уметь
• 
в целях эксплуатационного ресурсосбережения и снижения 
трибонапряженности применять закономерности трения и изнашивания при выборе материалов и рациональной конструкции детали, 
технологии ее изготовления;
• 
оценивать уровень конструктивного совершенства трущихся 
деталей машин;
владеть
• 
принципами рационального проектирования ресурсосберегающих узлов трения.
Компетенции, полученные студентами в процессе освоения материала учебного пособия, можно применять при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ, написании 
диссертаций, учитывая использование возможностей снижения 
трибонапряженности трущихся деталей машин. Это позволит решить вопросы энерго- и ресурсосбережения для проектируемых 
конструкций, увеличить их надежность и срок службы.
Учебное пособие может содержать некоторые неточности. Автор 
с благодарностью примет все предложения и замечания.

Глава 1.  
ОснОВОпОлОжник ГидРОдинамическОй 
теОРии смаЗки

Эксплуатационная надежность современных механических систем 
основана на применении современных смазочных материалов, причем 
большой процент принадлежит материалам, создающим в процессе 
трения гидродинамический эффект. Практическое значение гидродинамической теории смазки громадно. Она дала возможность рационального проектирования подшипников и многих трущихся деталей 
машин, которые в современной технике незаменимы.
Основоположником гидродинамической теории смазки является наш соотечественник Н.П. Петров. Свой вклад в развитие этой 
теории внесли О. Рейнольдс, А. Зоммерфельд, А. Мичель, Н.Е. Жуковский, С.А. Чаплыгин и другие известные отечественные и зарубежные ученые.
Н.П. Петров соединял в себе талант теоретика и блестящего инженера, весомо обогатил науку, технику и практику железнодорожного транспорта, науку профилирования зубчатых колес, теорию 
и практику смазки деталей механизмов и машин. Глубокие знания 
математики давали ему ключ к решению сложных физических 
и технических задач, позволяли находить неожиданно остроумные 
технические решения. Он умел свести сложную проблему к неожиданно простой модели, найти решение задачи, неотразимое по логике, и создать законченную теорию. Его труд «Трение в машинах. 
Влияние на него смазывающей жидкости» получил самую высокую 
оценку в инженерных и ученых кругах, положил начало классической гидродинамической теории трения. Смазочное действие жидкостей — это сложнейшая совокупность физических и физико-химических процессов. Н.П. Петров решил эту задачу теоретически 
и эмпирически, заслужив мировую славу. Открытие Н.П. Петрова позволяло инженерам определять величину силы трения 
для разных машин, выбирать наиболее выгодные и целесообразные 
для конкретных условий смазочные вещества. Современная наука 
о вязкости жидкости — вискозиметрия — относит законы Петрова 
к самым классическим исследованиям в этой области.
Вторым научным подвигом Н.П. Петрова была разработка теории 
взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава. Ряд 
его работ по этой проблеме внес большой вклад в науку. Необходимость их появления диктовалась практикой. Из-за отсутствия обос

нованной теории не получалось выбирать оптимальные параметры 
верхнего строения железнодорожного пути. Н.П. Петров нашел 
достойный способ решения этой задачи. Он ввел в расчет гипотезу 
о равной пропорциональности между прогибом рельса и грузом 
при его статическом и динамическом воздействии, составил дифференциальное уравнение движения центра инерции колеса по рельсу 
в конечных разностях и решил его. Значение выводов, сделанных 
Н.П. Петровым в процессе исследования явления давления колес 
на рельсы, прочности рельсов и устойчивости пути, видно из числа 
учтенных ученым факторов: скорость колеса, коэффициент балласта, упругость, расположение рельсовых опор на шпалы, неоднородность в подбивке шпал, направленность поверхности катания 
у рельса и колеса и др. Он довел решение до конечных численных 
результатов, дал в руки инженеров практический метод расчета 
железнодорожного пути, положил начало важным исследованиям 
в области тяги и безопасности движения поездов.
Н.П. Петров не только изучал и анализировал сложные проблемы 
развития железнодорожного транспорта и смазки машин, но и разбирался в других отраслях человеческой деятельности, например 
хранении и перегрузке зерна и каменного угля. Научная работа 
Н.П. Петрова сочеталась с административной и преподавательской деятельностью. Во время беседы со студентами на их вопрос 
о том, что является главным в труде ученого и инженера, он ответил таким образом: «надо уметь возвыситься над изучаемым вопросом». Это легко, если изучить его историю, материалы и противоречия в его развитии, обрести собственное мнение и доказать его 
не опровержимость. Также следует помнить, что трудишься не ради 
«собственной мошны, самолюбия и славы, а ради прогресса науки 
и нужд народного хозяйства, а потому надобно глубоко интересоваться такими областями знания, как экономика, статистика, обществоведение, ибо науки сии поучительны и универсальны». Многие 
ученики Н.П. Петрова впоследствии стали не только грамотными 
инженерами, но и крупными учеными. Они с благодарностью вспоминали учителя.
Результаты многих научных работ Н.П. Петрова, каждая его 
статья привлекали внимание не только специалистов, но и математиков, механиков. Они были известны и за границей. Биографические сведения скудны, в этой связи в пособии частично реализуется и этот пробел1. 

1 
Киричек А.В. Николай Павлович Петров: жизнь во имя науки / А.В. Киричек [и др.] // Вестник Брянского гос. техн. ун-та. 2017. № 4. С. 5—15.

Был выполнен локальный исторический и краеведческий поиск 
данных о жизни ученого — «основоположника гидродинамической 
теории смазки» и «отца железнодорожной науки» Николая Павловича Петрова (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Николай Павлович Петров

Его научные работы и карьера достаточно изучены, но личная 
жизнь (детство, семья, интересы) практически не освещена. Единственным источником информации о жизни Н.П. Петрова являются 
две работы его сына Михаила, который писал, что ни дневников, 
ни мемуаров ученый не оставил. Даже дата его рождения указана 
по-разному в энциклопедиях и справочниках. Приведенные далее 
биографические материалы позволят узнать о ранних годах жизни 
Н.П. Петрова и, возможно, по-другому взглянуть на его научную 
деятельность. Ученый родился 1 мая 1836 г.1 в городе Трубчевске 
Брянской области (бывшая Орловская губерния).
В год рождения Николая Павловича, посвятившего всю свою 
взрослую жизнь железным дорогам, произошли необычные события. В день его рождения началось строительство первой в Российской империи железной дороги, которую назвали Царскосельской. Осенью этого же года в Институте инженеров путей сообщения был открыт курс железных дорог (в качестве отдела курса 
прикладной механики).

1 
Все даты приведены по старому стилю. ГАБО (Государственный архив 
Брянской области). Ф. 248. Оп. 1. Д. 235. Л. 138.

В 1911 г., когда отмечали 40-летие научной деятельности 
Н.П. Петрова, в своей ответной речи перед лучшими представителями отечественной инженерной мысли он упомянул тесную связь 
теории и практики, где объединяющим началом служит квалифицированный специалист-инженер. «Без светоча теории практика 
не может идти к истинному совершенствованию», «Пусть процветает наша промышленность под руководством просвещенных инженеров и техников, умеющих ценить связь между наукой и практическим делом» — эти слова стали девизом всей деятельности 
ученого.
Для восстановления раннего периода жизни Н.П. Петрова были 
использованы косвенные данные. В частности, в большинстве биографических упоминаний пишут, что отец ученого Павел Яковлевич был военным из дворян Новгородской губернии. Михаил, 
вспоминая об отце, уточняет уезд — Белозерский. Затем энциклопедии и специализированные справочники переносят нас в 1849 г., 
когда Николай Павлович поступил в Дворянский полк. На тот 
момент ему было более 13 лет — возраст, к которому у человека 
формируется отношение к окружающему миру. По одной версии, 
мальчик воспитывался в имении отца; по второй — жил и получил 
начальное образование в Трубчевске.
Последняя версия кажется маловероятной, так как, хотя в Трубчевске с 1796 г. существовало уездное народное училище, для поступления в него Николай Павлович должен был прожить в городе 
около 10 лет. Об этом нет никаких упоминаний в воспоминаниях 
его сына Михаила, и источника этой легенды найти не удалось. 
Более вероятно, что эпизод с окончанием училища был придуман 
местными краеведами из желания ближе привязать к своему краю 
крупного ученого.
Но и первая версия является неполной. Дело в том, что определение Депутатского дворянского собрания Новгородской губернии 
о внесении в родословную книгу Павла Яковлевича и его жены 
Варвары Сергеевны (Дементьевой) с сыном Николаем состоялось 
10 ноября 1838 г. А значит, либо два года их прошение не рассматривали, либо, что более вероятно, они его не подавали. Стоит добавить, что статус дворянина давал определенные льготы и этот 
вопрос был очень серьезен в 1830-е гг. Возможно, что Петровы 
проживали в Трубчевске в 1836 (может, ранее) — 1838 гг. (или 
не только в этом городе).
Что же представлял собой Трубчевск в середине XIX в.?
Это был уездный центр в западной части Орловской губернии, 
один из древнейших городов Руси, в домонгольский период 

центр одноименного княжества. В XIV—XVII вв. он находился 
под властью Литвы и Польши. Расположение на границе в течение 
многих веков, конечно, наложило свой отпечаток. Стык различных 
славянских племен и в последующем заселение края народами 
из различных частей Российского государства и Речи Посполитой 
сформировало особый менталитет местных жителей.
Город раскинулся на живописном правом высоком берегу 
р. Десны, притока Днепра, в 220 верстах от губернского Орла 
и 1020 верстах от Санкт-Петербурга. Единственными дорогами, 
как и сотни лет назад, оставались почтовые тракты Брянск — Севск 
и на Орел. Железные дороги в Трубчевском уезде появились лишь 
в 1887 г. в связи со строительством Полесской железной дороги. 
Железную дорогу, и только узкоколейку, протянут лишь к пригороду Трубчевска в 1920-е гг. Главной транспортной артерией 
в 1830-е гг. оставалась река Десна.
Левый берег Десны пологий, лесной, с редким населением, 
правый — весь изрезанный оврагами, причем их было так много, 
что, наверное, по этому показателю уезд был одним из первых 
в стране. Треть уезда была занята лесами, остальная часть — пашнями и лугами. Земля была неплодородной (по сравнению с другими черноземными орловскими уездами), хотя землепашество 
было основным занятием населения. Не следует, однако, думать, 
что местность эта была глушью и дикой провинцией. Уезд располагался на месте транзита зерна из черноземных губерний (Орловской, Курской, Воронежской) в восточные районы современной 
Республики Беларусь. До постройки Полесской железной дороги 
десятки тысяч людей были вовлечены в процессы транспортировки 
хлеба с юго-востока на северо-запад. Значительное количество жителей участвовало в сплаве строевого леса и досок на юг: в Киев, 
Николаев, Кременчуг, Екатеринославль. Их называли бурлаками, 
хотя в отличие от волжских бурлаков они против течения суда 
не тянули. Основой городской экономики, как и 200 лет до этого, 
были выращивание и обработка конопли. Производимые в Трубчевске конопляные изделия — пенька, канаты, веревки, конопляное 
масло — находили сбыт за рубежом. Трубчевские купцы Гамовы, 
Савины, Курындины издревле напрямую торговали с Англией 
и Германией через Гжатскую пристань и Ригу. Трубчевская пенька 
считалась лучшей в России.
Помимо пенькотрепален были бумажная, парусинная, полотняная фабрики и стеклянный, кожевенные заводы. В городе проходили две ярмарки — Васильевская (с 1 по 3 января) и Троицкая 
(с праздника Троицы в течение 7 дней), на них стекалось до 10 тыс. 

человек. Здесь покупали и продавали разные мануфактурные, 
овощные и бакалейные товары, рыбу, напитки, пряные коренья, 
воск, мыло, табак, лошадей и рогатый скот. В городе к 1840-м гг.
было всего 13 каменных и 741 деревянных домов; 4/5 из них сдавались под постой войск, поэтому утверждать, в каком именно доме 
родился Павел Николаевич Петров, не представляется возможным. 
Был каменный собор и семь церквей.
В городе проживало до 5 тыс. жителей. Половина из них были 
мещанами, ремесленниками и посадскими. Из них потомственных 
дворян было около 40 человек. По 500 человек было государственных 
крестьян и военных. Городничим в 1836 г. был подполковник Николай Федорович Кашерининов, кавалер ордена Св. Анны 4-й степени и Владимира 4-й степени с бантами. Практически все административные посты занимали военные-дворяне. Купечество города, 
коим он славился, было в этот период в упадке. Военнослужащих 
было много, так как в те времена войска квартировались на постое 
во многих населенных пунктах, а не в военных городках, как сейчас. 
Невдалеке от города для них были построены три барака на 600 
служащих. По статистике за 1841—1851 гг., в среднем в год в городе 
проживало 592 человека военных мужского пола и всего 17 человек 
женского пола, еще проживали военные в уезде.
Что же делала семья военного Павла Яковлевича Петрова в городе Трубчевске? Есть два варианта ответа на этот вопрос: либо 
он был служащим в одной из расквартированных частей, либо 
был проездом или в гостях у друзей, родственников. В те годы 
в среднем в городе рождалось 120 мальчиков, одним из них и стал 
будущий инженер Н.П. Петров. Многие дети в Трубчевске умирали, 
не дожив до трех лет, такая ситуация сохранялась вплоть до XX в. 
Родственников Петровых в Трубчевске обнаружить не удалось, 
также не удалось найти какой-то связи с этой местностью в последующем. Значит, трубчевский период жизни Николая Павловича 
Петрова ставит больше вопросов, чем дает ответов.
Из записи «Первого мая 1836 г. 1-го Конного эскадрона, штабскапитана Павла Яковлева Петрова и законной жены его Варвары 
Сергеевны родился Николай. Крестные: Командир 1-го Конно-пионерского эскадрона Полковник и Кавалер Карл Романов Каульбас 
и того же Эскадрона капитана Александра Иванова Книрима жена 
Анна Викентьевна. Священник Яков Петровский» следует, что 
отец Николая Павловича служил в конно-пионерском эскадроне, 
который в 1830-е гг. отвечал за наведение понтонных мостов 
и легких переправ, т.е. фактически это были инженерные части. 
Крестным ребенка стал в будущем генерал-лейтенант, участник