ТРИ СТАДИИ ИЗНАШИВАНИЯ ТРУЩИХСЯ ТЕЛ
Износостойкость трущихся тел во многом определяется процессами, происходящими во фрикционном контакте, т.е. реальными давлениями, температурными процессами, которые в процессе эксплуатации пары трения меняются и наиболее явно выражены во времени.
Наиболее общий вид зависимости, получившей название В.Ф.Лоренца и представляющей суммарный износ от времени работы деталей узла трения, приведен на рис. 8.1. На рисунке показана зависимость быстроты изменения линейного (объемного или массового) износа во времени от исходного, равного нулевому для новых деталей до допустимого hп, выше которого наступает катастрофический износ с последующим разрушением трущейся пары.
Рис. 8.1. Закономерности изменения линейного износа (h) и интенсивности изнашивания (I) в процессе обкатки и эксплуатации трущихся тел.:
hп - предельный суммарный износ трущихся тел; h1 - суммарный износ при обкатке; h2 - суммарный износ при эксплуатации трущихся тел;
I - область обкатки; II - область периода эксплуатации трущихся тел;
II' - область повышения интенсивности изнашивания в процессе
эксплуатации пары трения; III - область катастрофического износа
По зависимости В.Ф.Лоренца можно выделить принципиально отличающиеся во времени и по механизму разрушения три стадии процесса изнашивания трущихся тел (I,II и III).
Первая стадия изнашивания, продолжительность которой составляет незначительную долю от времени работы сопряжения, получила название приработки пары или узла трения.
|
|
|
В этот период происходят процессы изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств обоих взаимодействующих фрикционных материалов. На этом этапе на площадях истинного контактирования, во многом определяющихся исходной микрогеометрией и свойствами исходного материала, реализуются очень высокие давления, температурные поля градиенты напряжений и температур. При их действии, а также в результате взаимодействия тел с окружающей средой (воздухом, смазкой и т.д.) в зоне трущихся тел происходят значительные деформационные процессы, диффузионные процессы, меняются молекулярные взаимодействия, свободная поверхностная энергия и др., в десятки раз ускоряется протекание химических реакций.
Направление этих изменений определяется принципом Ле Шателье-Брауна, в соответствии с которым любая система под внешними воздействиями изменяется с максимальным ослаблением первоначально существовавших взаимодействий. В результате адаптации системы к условиям нагружения в поверхностных слоях трущихся тел образуются такие структуры и макро- и микрорельеф, которые, наряду с формированием в процессе приработки
|
|
|
на поверхностях трения вторичных структур различного происхождения, обеспечивают минимизацию энергетических затрат и локализацию зоны фрикционного разрушения (износа) в тонком поверхностном слое (рис.8.2). Окислительно-восстановительные процессы в поверхностных слоях и диффузионные процессы в подповерхностных слоях приводят к тому, что поверхностный слой трущихся тел по своему атомно-молекулярному составу и частицы, отделяющиеся от трущихся тел, могут существенно отличаться от состава и физико-механических свойств исходного материала (по данным А.Жерве и Ю.М.Лужнова). Степень отличия этих свойств во многом связана с режимом нагружения трущихся тел и получила название трибомутации.
В свою очередь, происходящие в зоне фрикционного контакта значительные термоциклические напряжения могут оказывать влияние и на фазовые превращения, происходящие в поверхностных слоях. Правильное и направленное использование этих явлений может во многом повлиять на процессы, связанные с приработкой трущихся тел, и, в конечном счете, на затраты энергии и материалов и продолжительность работы узла трения.
Рис. 8.2. Схема составляющих линейного износа трущейся пары тел:
|
|
|
I - менее сложная деталь, способная к более легкой замене (например подшипник); II - более дорогая и трудно заменяемая деталь (например коленчатый вал); hп = h1 + h2 - предельный износ, состоящий из износа при обкатке h1 и износа тел в процессе эксплуатации пары трения h2;
h1 = h'1 + h''1 - износ при обкатке, соответственно I и II деталей;
h2 = h'2 + h''2 - износ в процессе эксплуатации, соответственно
I и II деталей
Исследованиями И.В.Крагельского показано, что в процессе приработки устанавливается определенная для данной трибосистемы шероховатость, не зависящая от величины и характера первоначальной шероховатости, полученной в результате технологической обработки. Она определяется качеством используемого материала и составом окружающей среды (воздуха, смазки и т.д.), а по своей величине установившаяся шероховатость может оказаться как больше, так и меньше исходной, полученной при технологической обработке.
Схема формирования установившейся равновесной шероховатости приведена на рис. 8.3. Для очень гладких поверхностей большую роль на фрикционное взаимодействие оказывает адгезионное взаимодействие между выступами трущихся тел. Молекулярное схватывание и вырыв части микровыступов приводят к образованию
|
|
|
Рис. 8.3. Формирование равновесной шероховатости по И.В.Крагельскому
уже более высоких выступов (представленных в правой части рисунка). В результате этого процесса при формировании сил трения уменьшается влияние адгезионных сил и начинают играть решающую роль деформационные процессы, а высокие выступы при трении деформироваться и срезаться. Таким образом, путем попеременного вступления в действие адгезионных и деформационных процессов достигается некоторая равновесная шероховатость, характеризующаяся реализацией минимума сил трения и интенсивности изнашивания.
В процессе приработки (рис. 8.1, 8.4) при трении выделяется большое количество материала трущихся тел, по своему объему почти соизмеримого с износом трущихся тел за весь срок нормальной эксплуатации уже приработанной трибосистемы. Во время приработки сглаживаются и в значительной степени «снимаются» несоответствия в конструкции узла трения, приобретенные как при изготовлении его деталей (например, такие, как несоблюдения в плоскостности, отклонения в углах и диаметрах контактирующих тел), так и при сборке узла трения (недостаточная посадка, перекосы и т.д.).
Рис. 8.4. Влияние времени приработки на высоту неровности Нср (пара трения стальной вал — бронзовый вкладыш): 1 - Нср = 5,4 мкм;
2 - Нср = 0,5 мкм (трение по бронзовым вкладышам)
Во второй стадии изнашивания фрикционных пар (см. рис. 8.1)трение стабилизируется, интенсивность изнашивания снижается и в среднем остается практически неизменной. Исключением из этого могут быть отдельные всплески на этой зависимости, вызванные нарушениями в режиме эксплуатации узлов трения. Например, при запуске двигателя, когда в узлы трения еще не попала смазка, или при работе с низкими температурами, когда в зоне трения реализуется режим масляного голодания, или в условиях, когда увеличиваются внешние воздействия, например, перегруз автомобиля или движение по крутому подъему. Эти всплески интенсивности изнашивания обычно бывают непродолжительными и поэтому не сильно искажают общую картину интенсивности изнашивания узлов трения машин. Однако они свидетельствуют о том, что к обслуживанию узлов трения машин в условиях эксплуатации следует относиться с большим вниманием, поскольку при длительной недооценке этих процессов они могут значительно повысить угол наклона кривой на участке 1-2 (см. рис. 8.1), т.е. привести к росту интенсивности изнашивания и сокращению периода нормальной эксплуатации узла трения. В процессе постепенного изнашивания трущихся тел увеличиваются зазоры в сочленениях машины, могут возникать перекосы и перераспределение
Третья стадия изнашивания начинается с момента, когда под действием динамических факторов резко увеличивается интенсивность изнашивания, достигая своей катастрофической величины, и узел трения выходит из строя (повреждается). Для разных материалов и конструкций узлов трения представленные выше стадии изнашивания будут разными по величине и крутизне хода кривых, однако общий характер их по форме сохраняется.
8.1. Распределение износа между трущимися телами
по их рабочим поверхностям
Износы в узлах трения распределяются между трущимися деталями достаточно неравномерно. При этом одно из трущихся тел может подвергаться одному виду изнашивания, а другое - другому. Так, при пуске-останове неровности закаленного стального вала подвергают поверхностные слои вкладыша, изготовленного из мягкого антифрикционного сплава, абразивному изнашиванию. Сама же поверхность вала подвергается намного менее интенсивному усталостному изнашиванию. В то же время, если слой смазочного материала, разделяющего поверхность вала и подшипника, разрушается при повышении температуры и реализуется металлический контакт этих поверхностей, то могут иметь место схватывание трущихся тел и изнашивание адгезионного типа. В том же случае, если в смазочный материал попадает абразив, то он поглощается подшипниковым сплавом, закрепляется в нем и начинает изнашивать шейку вала. Даже при одинаковых материалах износ трущихся тел различен - обычно большая поверхность теряет больше по массе.
Распределение износа по рабочим поверхностям трущихся элементов контактирующих тел также зависит от ряда факторов, из которых наибольшее влияние оказывают схема контакта, условия нагружения, соотношение физико-механических свойств трущихся материалов, режим работы сопряжения и вид изнашивания. Износ детали по поверхностям трения далеко не всегда бывает равномерным, причем характеристикой изнашивания на отдельных участках поверхностей трения являются местные износы на этих участках. Для графического изображения распределения значений местного износа по поверхности трения или по определенному ее сечению используют эпюры износа. Так, для сопряжения вал-втулка эпюр износа совпадает по внешнему виду с эпюром распределения нормального давления и температуры. Если вал вращается в неподвижной опоре, то его износ будет равномерно распределен по его поперечному сечению, а на втулке будет образовываться местная выработка, смещенная от вертикальной оси в направлении вращения вала (это явление наблюдал еще Леонардо да Винчи). Если вал неподвижен, а втулка вращается, то равномерно будет изнашиваться рабочая поверхность втулки, а односторонний износ (выработка) будет наблюдаться уже на валу.
Рабочие поверхности зубьев шестерен подвержены главным образом усталостному изнашиванию, что выражается в образовании осповидных раковин на ножках зубьев в зоне полюса зацепления, т.е. здесь в основном имеет место трение качения. В дальнейшем наблюдается развитие усталостных микротрещин и выкрашивание частиц металла, причем наиболее интенсивно это происходит на отстающей поверхности в зоне нижней части зуба. В то же время на участках зуба, где имеет место проскальзывание, могут развиваться интенсивное натирание и заедание. Направление следов заедания совпадает с направлением скольжения профилей зубьев. Какой из этих видов изнашивания является ведущим, зависит от конкретных условий работы зацепления.
Рабочие поверхности цилиндрических втулок также подвержены неравномерному износу. При изнашивании коррозионно-механического типа максимальные износы наблюдаются в верхней части - напротив компрессионных колец при положении поршня в верхней точке, так как в этой зоне давление поршневых колец на стенку втулки достигает наибольшей величины и наблюдаются максимальные температуры. Если же изнашивание имеет абразивный характер, то гильза, согласно В.Винкенсу, больше изнашивается в средней части.
Знание эпюр износа позволяет наметить методы борьбы с изнашиванием, используя другие материалы или меняя конструкцию узлов трения. Следует, однако, иметь в виду, что значительные местные износы часто являются следствием некачественной сборки узлов трения.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 5373; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!