Файл: Учебное пособие издание второе, дополненное рекомендовано Министерством общего и профессионального.pdf

Наличие такого большого количества факторов, оказы- вающих влияние на процесс изнашивания, указывают на сложность явлений, протекающих в поверхностных слоях.
В зависимости от воздействия названных факторов при трении поверхностей в них имеют место следующие процессы:
• механические (пластическое деформирование, резание, царапанье);
• химические (окисление, коррозия);
• теплофизические (влияние температуры при трении на изменение механических характеристик поверхностного слоя);
• молекулярные (диффузия);
• электроэрозионные.
Указанные процессы вызывают в поверхностных слоях различные виды изнашивания, которые установлены стан- дартом ГОСТ 27674-88 «Трение, изнашивание и смазка. Тер- мины и определения».
К механическому изнашиванию относят следующие виды: абразивное, гидро- и газоабразивное, гидро- и газо- эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при заедании, изнашивание при фреттинге.
Коррозионно-механическое изнашивание включает в себя окислительное изнашивание и изнашивание при фреттинг- коррозии. Электроэрозионное изнашивание возникает при действии электрического тока. Механическое изнашивание возникает в результате механических воздействий на повер- хностные слои трущихся деталей. Коррозионно-механичес- ким называют изнашивание в результате механического воз- действия, сопровождаемого химическим или электрохими- ческим взаимодействием металла с рабочей средой.
Электроэрозионным называют эрозионное изнашивание в результате воздействия разрядов при прохождении элект- рического тока.
298

Все перечисленные виды изнашивания имеют место при работе деталей и узлов автомобиля.
В реальных условиях эксплуатации машин очень часто наблюдается действие одновременно нескольких видов из- нашивания. В таких случаях устанавливают ведущий вид, лимитирующий долговечность деталей, и отделяют его от других, сопутствующих видов разрушения поверхностей, не- значительно влияющих на работоспособность сопряжения.
Механизм ведущего вида изнашивания определяют по состоянию поверхности трения. Каждому виду соответству- ет только ему характерное состояние поверхности изнаши- вания. Оно является результатом, отражением действия раз- личных факторов, специфичных для данного процесса рабо- ты трущейся пары, например, риски на поверхности трения указывают на наличие и действие абразивных частиц, плен- ки окислов возникают при действии коррозионной среды, промывы образуются под действием потока жидкости или газа и т.д.
Указанные особенности состояния поверхности трения позволяют установить ведущий вид изнашивания, а знания механизма и характера его протекания дают возможность разработать мероприятия по обеспечению заданной долго- вечности при выполнении ремонтных работ.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислить факторы, влияющие на процесс изнашивания.
2. Указать виды изнашивания по ГОСТ27674-88.
3. По каким признакам можно установить вид изнашивания?
АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ
Абразивным называется механическое изнашивание ма- териала в основном в результате режущего или царапающе-
299

го действия на него абразивных частиц, находящихся в сво- бодном или закрепленном состоянии.
В качестве абразивных частиц выступают частицы дву- окиси кремния (песок), окиси алюминия и др., имеющих твердость значительно большую, чем металл пары трения.
В роли абразива могут выступать также продукты изна- шивания и выпавшие в осадок присадки масел, твердость их обычно соизмерима с твердостью основного металла.
Резание или царапание поверхностей изнашивания зави- сит от способа контакта, формы и размера частиц, а также соотношения твердостей абразивных частиц и материала тру- щихся пар.
В узлах автомобиля в основном имеет место такая схема контакта, когда абразивная частица располагается между двумя поверхностями трения. Размер частиц соизмерим с величиной зазора и колеблется в пределах от 5 до 120 мкм в виде пыли.
Процесс абразивного изнашивания трущихся поверхнос- тей деталей можно представить следующим образом
(рис. 140).
Рис. 140. Взаимодействие поверхностей металла с абразивной
частицей
300

Абразивная частица, попадая в зазор и имея более высо- кую твердость, вдавливается в одну из поверхностей пары трения и закрепляется в ней (рис. 140, а). При относительном перемещении деталей закрепленная частица в виде резца ре- жет или царапает ответную поверхность с отделением металла в виде микростружки (рис. 140, б). На поверхности остаются следы в форме рисок (рис. 140, в). Если твердости металла деталей примерно одинаковы Н
1м
=Н
2м
, то при перемещении поверхностей частица будет перекатываться между ними, об- разуя риску за счет пластической деформации (рис. 140, г).
Абразивное изнашивание имеет место в автомобиле в парах трения цилиндр — поршень, подшипниках скольже- ния и качения, шарнирных соединениях при нарушении це- лостности защитных элементов.
Для снижения абразивного изнашивания твердость ра- бочих поверхностей деталей должна быть больше твердости частиц или приближаться к ней. Достигается это за счет по- верхностной термической и химико-термической обработки деталей, напыления твердых сплавов, нанесения гальвани- ческих износостойких покрытий и т.д.
Эффективными методами защиты деталей автомобиля от абразивного изнашивания является герметизация сопря- жений с помощью уплотнительных элементов, обеспечение чистоты применяемых в машинах топлив, смазочных мате- риалов и рабочих жидкостей. Так, фильтрация дизельного топлива перед заправкой уменьшает изнашивание топлив- ной аппаратуры в 10 раз.

ЭРОЗИОННОЕ ИЗНАШИВАНИЕ
Эрозионным называется механическое изнашивание по- верхности в результате воздействия высокоскоростного по- тока жидкости и (или) газа, соответственно различают гид- роэрозионное и газоэрозионное изнашивание.
Механизм данных процессов представляется следующим образом.
При движении с большой скоростью поток жидкости или газа, соприкасаясь с поверхностью, расшатывает и вымыва- ет неровности после механической обработки. В зависимос- ти от свойств материала возможны даже вырывы отдель- ных объемов с неблагоприятной ориентацией по отношению к направлению потока.
С появлением пораженных участков процесс изнашива- ния усиливается, и на поверхностях появляются промывы с высокой степенью чистоты. На интенсивность процесса ока- зывает существенное влияние температура газа или жидко- сти, которая снижает прочность и твердость металла дета- лей.
Данный вид изнашивания наиболее характерен для пар трения цилиндр — поршневое кольцо, клапан — седло кла- пана в двигателях автомобиля.
При открытии клапана в начальный момент горячие газы с большой скоростью вырываются через образовавшуюся щель. Скорость потока такова, что происходит вырывание частиц металла с поверхностей как клапана, так и седла.
Пораженные участки ослабляют поверхностный слой, и про- цесс изнашивания усиливается, в результате на поверхности появляются глубокие промывы, мощность двигателя умень- шается и требуется его остановка на ремонт.
Повышение долговечности клапанов достигается более точной притиркой и высокой чистотой обработки при вы- полнении ремонтных работ. Материал клапана должен со- хранять твердость и прочность при высокой температуре.
302

Достигается это условие легированием металла клапана хро- мом, молибденом, вольфрамом.
Подобный механизм изнашивания наблюдается при ра- боте пары трения цилиндр — поршневое кольцо. В первона- чальный момент потеря размеров деталей происходит по причине абразивного изнашивания. Далее с увеличением зазора между кольцом и цилиндром в местах глубоких ри- сок происходит прорыв газов, при котором частицы металла отрываются с поверхности и уносятся потоком газов, в этих местах образуются раковины в виде промывов, мощность двигателя падает, что и служит основанием остановки ма- шины на ремонт.
В целом механизм износа пары трения цилиндр — пор- шневое кольцо представляется как абразивное изнашивание с переходом в газоэрозионное, совместным действием кото- рых и определяется срок их службы.
Повышение долговечности данной пары трения достига- ется увеличением твердости металлов трущихся поверхнос- тей и качеством их приработки.
Процесс эрозионного изнашивания усиливается при на- личии в потоке газов или жидкости абразивных частиц. Та- кой вид изнашивания называется газо-, гидроабразивным.
Механизм изнашивания, характер его протекания, состоя- ние поверхностей подобны эрозионному. Может иметь мес- то в топливной аппаратуре дизельных двигателей при рабо- те в запыленных условиях.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Показать сущность механизмов разрушения поверхностей
при эрозионном изнашивании.
2. Указать пары трения узлов автомобиля, подвергающиеся
эрозионному изнашиванию.
3. Каково состояние поверхностей износа?
4. Привести меры по снижению эрозионного износа.
303

КАВИТАЦИОННОЕ ИЗНАШИВАНИЕ
В движущемся потоке жидкости всегда имеются пузырь- ки воздуха, газа или паров жидкости. При изменении усло- вий движения потока жидкости, например в местах суже- ния, кранах и т. д., меняются давление в потоке и его сплош- ность, что приводит к «захлопыванию» пузырьков. В обра- зовавшиеся пустоты с большой скоростью устремляются частицы, происходит гидравлический удар. Это явление на- зывается кавитацией.
Если пузырьки газа располагаются на поверхности дета- ли, то при их захлопывании жидкость с огромнейшей силой ударяется о поверхность детали. Энергия удара настолько ве- лика, что вызывает разрушение металла. Важно заметить, что захлопывание пузырьков и удары жидкости происходят в од- ном и том же месте. При многократном воздействии в одном и том же месте в детали появляются каверны, вплоть до сквоз- ного отверстия. Механизм разрушения приводится на рис. 141.
Рис. 141. Схема кавитационного разрушения поверхности:
1 — захлопывающийся пузырек; 2 — основной металл;
3 — наклепанный слой
304

В месте удара жидкости о поверхность энергия удара та- кова, что вызывает наклеп металла. Наклепанный слой ха- рактеризуется повышенной хрупкостью и при повторном ударе разрушается, при этом образуется каверна (рис. 141, а).
Процесс повторяется (рис. 141, б, в) до появления сквозного отверстия (рис. 141, г), изделие останавливается на ремонт.
Данному виду изнашивания подвергаются лопасти цент- робежных насосов, наружная поверхность гильз двигателей
(рис. 142) и др.
Рис. 142. Гильза дизеля, изношенная кавитацией (С.П.Козырев)
Износ наружной поверхности гильзы при кавитации в несколько раз выше износа внутренней поверхности от дей- ствия поршневых колец, и он определяет срок службы гиль- зы.
Известны некоторые пути снижения износа от действия кавитации. Один из них — введение в охлаждающую жид- кость веществ — эмульгаторов, уменьшающих кавитацион- ное действие.
Повысить стойкость против кавитации возможно за счет увеличения твердости поверхности различными способами:
305

закалкой ТВЧ, химико-термической обработкой, наплавкой твердыми сплавами и т.д.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какова сущность навигационного изнашивания?
2. Каково состояние поверхности после кавитационного изна-
шивания ?
3. Какие детали автомобиля подвергаются данному виду из-
носа ?
4. Какие существуют способы снижения действия кавитации?
УСТАЛОСТНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ
Усталостным называют механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при многократном цик- лическом деформировании микрообъемов металла поверх- ностного слоя.
Данный вид изнашивания имеет место в основном в под- шипниках качения и зубчатых передачах.
Механизм процесса изнашивания поясним на примере работы подшипников качения. Внутренние поверхности обойм подшипника воспринимают значительные по величи- не циклические удельные нагрузки. Под действием этих на- грузок в поверхностном слое на отдельных участках появля- ется сетка усталостных трещин, которые, объединяясь, об- разуют питтинги (рис. 143).
Такие питтинги обычно хорошо видны на беговых до- рожках подшипников качения, рабочих участках зубьев зуб- чатых передач, отработавших длительное время.
При выполнении ремонтных работ на автомобиле изно- шенные подшипники и зубчатые колеса подлежат замене на новые. Необходимость замены подшипников устанавлива- ется по появлению стуков в узлах машины, повышению уров- ня шума и вибрации. Дальнейшая эксплуатация изношен-
306

ных подшипников и зубчатых колес недопустима, так как это ведет к поломке деталей (например, зуба шестерни).
Долговечность подшипников в значительной мере зави- сит от правильного выполнения посадок обойм на вал и в корпус, что весьма важно иметь в виду при назначении ре- монтных работ.
При циркуляционном нагружении (вращается вал) посад- ка на вал внутренней обоймы осуществляется с натягом, а в корпус — по переходной посадке.
При местном нагружении (например, при посадке под- шипника на переднюю неподвижную ось) посадка на ось должна выполняться по переходной посадке, обеспечиваю- щей возможное проворачивание внутренней обоймы на оси и равномерный ее износ по всему сечению. Невыполнение этого условия приведет к усталостному износу внутренней обоймы только в нижней нагруженной зоне и преждевре- менному выходу подшипников из строя.
Рис. 143. Схема усталостного изнашивания
307

Посадка наружной обоймы в ступицу колеса выполняет- ся с натягом.
Своевременная и качественная смазка подшипников и зубчатых передач при техническом обслуживании обеспечи- вает длительную работу в условиях усталостного изнашива- ния.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Описать сущность процесса усталостного изнашивания.
2. Какие детали автомобиля имеют данный вид изнашива-
ния ?
3. По каким признакам устанавливается наличие усталост-
ного изнашивания ?
4. Выбор посадок подшипников качения на вал и в корпус.
ИЗНАШИВАНИЕ ПРИ ЗАЕДАНИИ
Изнашиванием при заедании называют процесс разру- шения поверхностей в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую.
Данному виду изнашивания подвергаются узлы и сопря- жения деталей, работающие в условиях трения скольжения.
Сюда относятся пары трения скольжения цилиндр — порш- невое кольцо, шейка коленчатого вала — вкладыш, шарнир- ные соединения и многие др.
Механизм изнашивания при заедании представляется следующим образом. В реальных условиях контакт двух поверхностей в определенный момент времени происходит не по всей поверхности, а по отдельным точкам. Практичес- ки реальная площадь контакта в 10... 100 раз меньше расчет- ной, соответственно в это же количество раз увеличивается удельная нагрузка (рис.144).
308

Высокие значения удельных давлений в отдельных точ- ках вызывают диффузию атомов одного металла в другой с образованием атомно-молекулярных металлических связей
(т. 1 рис. 144). Так как поверхности при работе перемещают- ся друг относительно друга, то происходит разрыв образо- вавшихся металлических связей (т. 2 рис. 144). В результате на одной поверхности возникают раковины, а на другой — наросты. Далее при относительном перемещении деталей наросты царапают ответные поверхности с образованием на них пластически деформированных рисок, сами же наросты сминаются под действием высоких температур, возникаю- щих в процессе трения. Таким образом, на поверхностях тре- ния будут визуально видны раковины со следами вырыва металла, пластически деформированные риски и смятые наросты металла.
Приведенный выше механизм изнашивания при заеда- нии имеет место в условиях сухого или граничного трения, а также при недостаточной смазке при малых скоростях сколь- жения. Заедание поверхностей характеризует аварийное со- стояние сопряжения и в процессе эксплуатации машин дол- жно быть исключено.
При больших скоростях процесс схватывания приводит к расплавлению отдельных участков деталей и их сварива- нию. Примером этого служит заклинивание поршня в ци- линдре при недостаточной смазке.
При выполнении ремонтных работ на автомобиле необ- ходимо иметь в виду следующее.
Рис. 144. Схема формирования участка схватывания
309