Файл: Износа и смазки.pdf

68
Еще одной характеристикой изнашивания является износостой-
кость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях. Оценивается величиной обратной скоро- сти, или интенсивности изнашивания.
Значение износостойкости находится в пределах 10 3
…10 13
. Ус- тановлено десять классов износостойкости (табл. 4.1).
Таблица 4.1

69 дствоваться тремя критериями: техническим, функциональным и экономическим.
Согласно техническому критерию, предельному значению изно- са соответствует:
- резкое возрастание интенсивности изнашивания;
- снижение прочности изнашиваемой детали вследствие измене- ния ее размеров;
- усиление влияния износа рабочего органа или деталей сопря- жения на работоспособность других деталей;
- самовыключение механизма при работе.
Технический признак предельного износа можно использовать также для оценки изменения характера неподвижного сопряжения
(соединения с натягом, шлицевое и шпоночное соединения) вследст- вие контактной коррозии, релаксации напряжений и макропластиче- ской деформации деталей.
Основанием для функционального критерия служит изменение по мере изнашивания качества функций, выполняемых узлом или машиной. Например, отклонения размеров профиля проката от номи- нального вследствие износа валков, погрешности формы обработан- ного на металлорежущем станке изделия, изменение подачи компрес- сора при заданном давлении на выходе.
Экономические показатели работы машины положены в основу третьего критерия предельного износа. Наименьшие затраты на еди- ницу выработки при сохранении качества в заданных пределах явля- ются экономическим критерием оптимального срока службы, межре- монтного периода рабочего органа или узла машины.
Экономический критерий является наиболее общим. Техниче- ские и функциональные признаки являются основными в тех случаях, когда можно не считаться с рентабельностью работы машины.
Срок службы детали или узла определяется не только по пре- дельным износам, в соответствии с критериями, но и другими факто- рами: контактная усталость, коррозия и др.
Срок службы пары или детали определяют по формуле
(4.3) где U
max
– предельный износ, м;
U
0
– начальный износ (приработочный износ), м;
– скорость изнашивания, м/ч.

70
Для расчета необходимо установить предельный износ и знать скорость изнашивания.
4.3. Механизм изнашивания
Рассматривая механизм изнашивания, можно выделить три яв- ления, происходящие в зоне контакта пары трения:
- взаимодействие поверхностей трения;
- изменения в поверхностном слое;
- разрушение поверхностного слоя.
Все эти явления наступают не поэтапно, они непрерывно пере- плетаются, взаимно влияя друг на друга.
Взаимодействие поверхностей происходит как на механиче- ском, так и на молекулярном уровне. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедрении и зацеплении неровностей по- верхностей.
Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только обуславливает необходимость при- ложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей, но и может привести к вырыванию материала. Схватывание харак- терно только металлическим поверхностям. В отличие от адгезии, схватывание обладает более прочными молекулярными связями.
Разрушение масляной пленки способствует схватыванию поверхно- стей трения.
Изменения на поверхностях трения обусловлены пластической деформацией, повышением температуры и химическим действием окружающей среды.
Деформация приводит к следующим изменениям:
1. Многократные упругие деформации приводят в определен- ных условиях к усталостному выкрашиванию поверхностей качения.
2. Пластическое деформирование изменяет структуру материа- ла поверхностного слоя и, как заключительный этап, приводит к его разрушению.
3. Пластическая деформация при температуре ниже темпера- туры рекристаллизации приводит к наклепу поверхностного слоя – его упрочнению. Микротвердость достигает максимума на некото- рой глубине, далее уменьшаясь до исходной.
4. Деформирование поверхностей приводит к интенсивному из- нашиванию мягкой основы поверхностного слоя.

71
Влияние повышения температуры состоит в следующем:
1. Увеличение температуры поверхностных слоев выше темпе- ратуры рекристаллизации металла приводит к тому, что поверхност- ный слой не упрочняется, а находится в состоянии повышенной пла- стичности.
2. Высокая температура и пластическая деформация способст- вуют диффузионным процессам, обогащению поверхности некото- рыми элементами. Например, сталь обогащается углеродом.
3. Интенсивное локальное нагревание и последующее резкое охлаждение поверхности могут приводить к образованию закалочных структур.
4. Высокие температуры вызывают напряжения в материале, влияющие на его разрыхление.
5. Исследование контакта на микроуровне при высоких темпе- ратурах показало возможность образования магмы-плазмы.
Химическое действие среды заключается в следующем:
1. При изнашивании на поверхностях образуется окисная плен- ка, предохраняющая их от схватывания и глубинного вырывания.
2. В результате взаимодействия поверхности с химически ак- тивными присадками образуется защитная пленка. Она эффективно защищает поверхность от изнашивания при условии, что скорость образования пленки превышает скорость изнашивания.
3. Разложение смазочного материала при высоких температурах может приводить к насыщению поверхности углеродом.
4. Агрессивные жидкости и газовые среды активизируют изна- шивание.
4.4. Стадии изнашивания пар трения
Изменение размеров деталей при изнашивании происходит не- равномерно по поверхности трения и непостоянно во времени. Измене- ние износа от времени характеризуется кривой изнашивания (рис. 4.1, а).
Скорость изнашивания в каждый момент времени оценивается углом наклона кривой изнашивания (1) – это тангенс угла α. Кривая изменеия скорости изнашивания от времени показана на рисунке 4.1, а в виде кривой (2).
На кривой изнашивания можно выделить следующие участки:
I – приработки; II – установившегося изнашивания; III – форсирован- ного изнашивания.

72 0
u
t
t
1
t
2
/
//
///
u
2
б)
г)
в)
0
u
t
t
1
t
2
/
//
///
u
1
u
2
α
1
2
а)
0
u
t
t
1
t
2
/
//
///
u
1
u
2
0
u
t
t
1
t
2
/
//
///
u
2
1
2
Рис. 4.1. Кривые изнашивания поверхностей трения
На стадии I осуществляется процесс приработки, т.е. процесс из- менения геометрии поверхности трения и физико-химических свойств материала. В процессе приработки (характерна высокая скорость из- нашивания) устанавливается определенная для данной системы шеро- ховатость, не зависящая от первоначальной шероховатости, получен- ной в результате технологической обработки, а зависящая от трущихся тел и смазочного материала, а также от условий изнашивания (нагруз- ки, скорости, температуры, условий смазывания и т.д.).
После завершения образования равновесной шероховатости и оптимальных для данного соединения структур поверхностных слоев трущихся тел начинается процесс установившегося изнашивания
(стадия II). При этом интенсивность изнашивания постоянна и доста- точно невелика. Постепенное накопление износа через определенный период приводит к значительному изменению размеров и формы де- талей, в результате чего условия работы узла трения значительно
а б
в г

73 ухудшаются. Так, увеличение зазоров в сопряжениях вследствие из- носа составляющих их элементов приводит к повышению динамиче- ских нагрузок.
На стадии III наступает форсированное (катастрофическое) из- нашивание. Скорость изнашивания резко возрастает, существенно увеличивается накопленный износ, нежелательные явления в системе усиливаются. На этой стадии резко увеличивается частота отказов уз- лов трения.
В зависимости от различных факторов (свойство материалов, режимы и условия работы узла трения) кривые изнашивания имеют разный вид (рис. 4.1, б–г).
На кривой (см. рис. 4.1, б) отсутствует участок форсированного изнашивания. Кривые на рисунке 4.1, в соответствуют случаям, когда приработка практически отсутствует. Этот случай характерен для из- нашивания рабочих органов строительно-дорожной техники.
В отдельных случаях приработка деталей может происходить в течении всего срока эксплуатации (см. рис. 4.1, г).
Рассмотренные выше кривые (см. рис. 4.1, а–г) построены с ус- ловием непрерывности работы узла трения, от начала приработки до полной выработки или ремонта. В подавляющем большинстве случа- ев узлы трения работают с перерывами, например, в результате оста- новки машины. Это приводит к возрастанию скорости изнашивания, а также увеличению износа. Так, износ за один пуск машины может быть равнозначным износу за несколько часов работы при устано- вившемся режиме.
4.5. Разрушение поверхностей трения
Разрушение поверхностей трения, которое можно обнаружить визуально или под микроскопом, происходит в виде отдельных эле- ментарных процессов, сочетание которых зависит от материалов и условий трения.
Можно выделить следующие элементарные виды разрушения поверхностей.
Микрорезание. При внедрении на достаточную глубину твердая частица абразива или продукта изнашивания может произвести мик- рорезание материала с образованием микростружки. Микрорезание при трении и изнашивании проявляется редко, так как глубина вне- дрения недостаточна при действующих нагрузках.

74
Царапание. Образовавшаяся или появившаяся на поверхности трения частица при скольжении перемещает в стороны и поднимает материал, оставляя царапину. Последняя обрывается при выходе внедрившегося элемента из зоны фактического контакта, при раз- дроблении частицы, ее вдавливании или износе за пределы области трения.
Отслаивание. Материал при пластическом течении может от- тесняться в сторону от поверхности трения и после исчерпания спо- собности к дальнейшему течению отслаиваться. В процессе течения часть материала наплывает на окисные пленки и теряет связь с ос- новной его массой.
Выкрашивание. Это распространенный вид повреждения рабо- чих поверхностей деталей в условиях качения. Для выкрашивания характерна произвольная форма ямок с рваными краями.
Глубинное вырывание. Возникает при относительном движении тел, когда образовавшийся вследствие их молекулярного взаимодей- ствия спай прочнее одного или обоих материалов. Разрушение про- исходит в глубине одного из тел.
Перенос материала. Свойственен всем видам трения, кроме трения при жидкостной смазке, и обнаруживается при таких техноло- гических операциях, как резание, клепка и сборка болтовых соедине- ний: металл переносится с пневматического молотка на заклепки, с ключа на гайки, с резца на металл.
4.6. Виды изнашивания. Классификация видов
изнашивания
Работа узла трения сопровождается большим количеством сложных процессов, протекающих в поверхностных слоях. Из-за многообразия причин изнашивания, условий и режимов работы узлов трения невозможно представить единые классификационные призна- ки процессов изнашивания.
Одну из первых классификаций видов изнашивания предложил
А.К. Зайцев. Существует ряд других классификаций, отличающихся различными признаками. Б.И. Костецким было предложено различать ведущий (преобладающий) и сопутствующие виды изнашивания.
Наибольшее распространение получила классификация видов изнашивания по характеру воздействия на поверхность трения и про- текающих на ней процессов при эксплуатации машин.

75
В машинах наблюдают следующие виды изнашивания.
Механическое изнашивание: абразивное, гидроабразивное (газо- абразивное), гидроэрозионное (газоэрозионное), кавитационное, ус- талостное, изнашивание при фреттинге, изнашивание при заедании.
Молекулярно-механическое изнашивание: схватывание, адгези- онное изнашивание.
Коррозионно-механическое изнашивание: окислительное, изна- шивание при фреттинг-коррозии, электроэрозионное.
Под механическим изнашиванием понимают изнашивание в ре- зультате механического воздействия в контакте. Молекулярно- механическое изнашивание обусловлено появлением местных меха- нических связей с последующим их разрушением, сопровождающих- ся вырыванием частиц металла одной из деталей. Коррозионно- механическое изнашивание – это изнашивание, при котором механи- ческое взаимодействие сопровождается химическим и (или) электри- ческим взаимодействием материалов пары трения со средой.
На возникновение какого-либо вида изнашивания и повышение его интенсивности влияют:
- свойства материалов поверхностей трения деталей;
- свойства и качества смазочных материалов;
- способы подвода смазки к трущимся поверхностям;
- давление и место подачи смазочного материала к трущимся поверхностям;
- форма и размеры шероховатости и трущихся поверхностей;
- характер приложения нагрузки;
- скорость относительного перемещения трущихся тел и ее из- менение во времени (разгон автомобиля, торможение двигателем);
- температурный режим работы пары трения;
- присутствие механических и химических примесей;
- режим работы.
4.6.1. Абразивное изнашивание
Абразивное изнашивание – это разрушение поверхности детали в результате его взаимодействия с твердыми частицами (абразивом).
Абразивным материалом называют материал естественного или ис- кусственного происхождения, зерна которого имеют достаточную твердость и обладают способностью резания (царапания).
Такими частицами могут быть микровыступы, твердые частицы грунта, металлическая стружка, песок, оксидная пленка, нагар, про-