Основные понятия, термины и показатели изнашивания
Проектирование машин, удовлетворяющих высоким требованиям надежности, долговечности и безопасности эксплуатации, невозможно без решения задач, связанных с созданием условий и обеспечением режимов оптимального взаимодействия поверхностей пар трения, т. е. задач, стоящих перед трибологией и триботехникой.
Трибология – наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Триботехника – наука о контактном взаимодействии тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазывания машин. Основополагающие законы триботехники нашли практическое применение в области разработки, создания, эксплуатации и ремонта разнообразных объектов и технических средств.
Технологу трибология и триботехника дают возможность выбрать наиболее эффективные методы обработки и упрочнения материалов, а специалисту, занимающемуся эксплуатацией, – обеспечить надлежащий режим эксплуатации и обслуживания машин.
Трение возникает при относительном перемещении рабочих поверхностей деталей и сопровождается их изнашиванием.
Изнашивание – это процессы разрушения, отделения частиц материала с поверхности твердого тела и накопления остаточной деформации при трении. Изнашивание проявляется в постепенном изменении размеров и формы тела, а также в изменении взаимного расположения поверхностей детали. Оно приводит к ухудшению функциональных показателей работы машины и определяет ее долговечность. В результате изнашивания нарушается кинематическая точность механизмов, изменяется характер нагружения, появляются дополнительные нагрузки, вибрации и шумы. В основе изнашивания лежат следующие процессы.
1. Многократное механическое и термическое воздействие на поверхность детали. Многократное механическое воздействие, при котором контактные напряжения превышают предел текучести, вызывает пластическую деформацию материала и приводит к накоплению остаточных деформаций. В результате этого может происходить разупрочнение и разрушение материала, а также коробление изделия. Нагрев поверхности детали при трении до высокой температуры приводит к тепловому изнашиванию, при котором происходит разрушение «сварившихся» неровностей поверхности. Возникновение высоких локальных температур на участках микроконтактов приводит к образованию «мостиков сварки», которые вызывают вырывание частиц материала при относительном перемещении деталей. Циклическое воздействие на металл детали механических и термических напряжений вызывает образование микротрещин в глубине поверхностного слоя с последующим выкрашиванием частиц металла. 2. Химико-термические воздействия среды на поверхность детали приводят к изменению физико-механических свойств материала, образованию адсорбированных и окисных пленок. 3. Наличие смазки в зоне контакта кроме положительного эффекта может оказывать расклинивающее действие в микротрещинах и способствовать разрушению поверхностного слоя. Так, при расклинивающем действии противоизносной присадки, попавшей при работе газораспределительного механизма в поверхностную трещину, может произойти излом распределительного вала (рис. 1). Вид излома распредвала носит явно однородный характер и не имеет двух зон, характерных для усталостного излома.
Рис. 1. Излом вала, возникший при расклинивающем действии присадки
4. Молекулярно-механическое взаимодействие контактирующих поверхностей сопровождается возникновением и разрушением фрикционных связей, в результате которых осуществляется перенос материала с одной поверхности на другую.
Износ – это некая величина, с помощью которой количественно оценивается изменение размеров, объема и массы деталей, произошедшее в результате изнашивания. Кроме этого, изнашивание характеризуется скоростью, т. е. отношением величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или интенсивностью изнашивания – отношением величины износа к пути, на котором произошло изнашивание, или к величине выполненной работы.
Повреждаемость – это процесс резко выраженного, недопустимого изменения геометрических параметров и свойств материала деталей в процессе эксплуатации. К повреждениям относятся усталостные трещины и выкрашивание материала, пробоины, коррозия, остаточные деформации (коробление) и др.
Таким образом, все виды дефектов, возникающих в процессе эксплуатации деталей, подразделяются на допустимые (например, износ) и недопустимые (например, повреждения).
Механический износ деталей
Механический износ деталей автомобилей возникает под действием сил трения. Которое вызывает скалывание, смятие и разрушение поверхности детали.
Уменьшение механического износа может быть обеспечено подбором материала (сталь – баббит, сталь –бронза, сталь – чугун). И повышением частоты обработки сопрягаемых деталей.
Автомобильные детали, работающие в тяжелых условиях (коленчатые валы, цилиндры и др.), обрабатывают шлифованием и полированием. Главной причиной износа является трение. В зависимости от характера перемещения сопрягаемых деталей различают трение скольжения (трение вала во втулке, поршня в цилиндре и т.д.) и трение качения (в шариковых и роликовых подшипниках). При трении качения износ в десятки раз меньше, чем при трении скольжения.
Максимальный износ деталей автомобилей наблюдается при сухом трении. Во всех случаях следует стремиться к работе в условиях жидкостного трения. Что достигается соблюдением правил смазки, применением рекомендуемых сортов масел и режимов работы сопряжений.
Усталостный износ
Усталостный износ происходит при действии на деталь переменных по величине и направлению нагрузок. Для усталостного износа характерны трещины, шелушение и отслаивание металла от поверхности детали.
Усталостному износу подвержены:
- коленчатые валы,
- поворотные цапфы,
- рессоры,
- шестерни,
- беговые дорожки подшипников качения и другие детали.
Снижение усталостного износа достигается тщательной обработкой поверхностей деталей. А также соблюдением установленных радиусов закруглений. И устранением рисок и забоин, которые являются центрами зарождения усталостных трещин. Для повышения усталостной прочности некоторые детали (рессоры, поворотные цапфы автомобилей и др.) подвергаются дробеструйной обработке, чеканке или накатке роликами.
Химический износ
Химический износ (коррозионный) происходит вследствие действия на детали кислот, щелочей и других веществ. Которые попадают в механизмы вместе с маслом, топливом и из воздуха.
При химическом износе происходит разъедание поверхности деталей. Что соответствует образованию на них ржавчины. Коррозия вызывает громадные потери металла. И наносит огромный вред автомобилям. Снижение химического износа деталей шатунно-поршневой группы и механизма газораспределения обеспечивается применением очищенных масел, топлив. А также поддержанием нормальных тепловых режимов двигателя. Защита деталей от коррозии производится различными видами лакокрасочных и электролитических покрытий. А также своевременной смазкой.
Изнашивание в результате выкрашивания
Представленная классификация видов изнашивания не будет полной, если упустить из виду так называемый износ в результате выкрашивания. Его сущность заключается в следующем. При тяжелых (возможно, даже экстремальных) условиях работы, поверхностные слои трущихся деталей претерпевают структурные и фазовые превращения. Причинами в разных случаях выступают повышенные температуры, условия нагрева и охлаждения, высокое давление и другие. Свойства полученных слоев значительно отличаются от свойств исходного материала. Как правило, эти фазы являются хрупкими и при нагрузках разрушаются.
Так, на стали и чугуне в процессе трения без смазки образуются характерные белые полоски. Эти участки невозможно вытравить даже раствором азотной или плавиковой кислот на спирту. Специалисты в области металловедения называют это образование белым слоем. Он имеет довольно большую твердость по Роквеллу и очень хрупкий. Одна лаборатория провела фазовый и структурный анализ белого слоя. Выяснилось, что он представляет собой механическую смесь из мартенсита и цементита. В нем также содержится незначительное количество феррита. Последнего в нем совсем мало и он не может уменьшить твердость.
Образование (синтез) этого вещества сопровождается возникновением вредных внутренних растягивающих и сжимающих сил. Когда векторы внутренних напряжений совпадают с внешними нагрузками на деталь, на ее поверхности в области белого слоя образуются незначительные трещины. Эти микротрещины являются концентраторами и накопителями напряжений, что приводит к хрупкому разрушению изделия в целом.
Что такое механические повреждения?
Особую группу дефектов деталей составляют механические повреждения, возникающие в большинстве случаев вследствие грубых нарушений правил эксплуатации. К числу таких дефектов следует отнести: вмятины, пробоины, трещины. Воздействие повышенных нагрузок приводит к изгибу и скручиванию деталей, срыву резьбовых, шпоночных и шлицевых соединений.
Основными причинами этих неисправностей является небрежность при ремонте и эксплуатации машин и аварии. Так, резкое охлаждение перегретого блока или замерзание воды в его рубашке может вызвать появление в этих деталях трещин.
Абразивный износ деталей
Абразивный износ является разновидностью механического износа. При этом виде износа разрушение трущихся поверхностей производится посторонними частичками. Это песок, пыль и продукты износа, которые имеют повышенную твердость.
Абразивному износу больше всего подвержены детали ходовой части автомобилей и машин. Снижение абразивного износа может быть обеспечено постановкой фильтров, сальников, защитных чехлов. А также поддержанием машины в чистоте, современной очисткой от нагара деталей шатунно-поршневой группы и механизма газораспределения. Ну и интенсивной смазкой трущихся деталей.
Способы борьбы с термическими трещинами
Наиболее действенным мероприятием по борьбе с термическими трещинами будет обеспечение интенсивного охлаждения. Для этого могут использоваться специальные масла и смазки. В случае с колесами железнодорожных составов эта мера, по понятным причинам, не годится. В таком случае можно поиграть на химическом составе материала и подобрать более выгодную с этой точки зрения марку стали. Определенные марки легированных сталей имеют низкий коэффициент расширения. И это свойство можно выгодно использовать.
Особенности окислительного изнашивания
Данный вид изнашивания возникает в том случае, когда на поверхности трущихся деталей возникает рыхлая пленка окислов, которая быстро удаляется с поверхности в результате трения. Большинство машиностроительных материалов склонны к окислению на воздухе при повышенных температурах. Поэтому такому виду изнашивания деталей подвержены механизмы, которые работают без смазки и без системы охлаждения.
Чем больше скорость разрушения окисной пленки и чем больше скорость ее образования, тем интенсивнее происходит износ поверхностей.
Такой вид изнашивания характерен для шарнирных и болтовых соединений, различных подвесных механизмов, да и вообще для всех узлов, работающих без смазки.
С увеличением скорости трения увеличивается температура трущихся поверхностей. Это приводит к интенсификации разрушительных процессов. Аналогичное воздействие оказывает и увеличение ударных нагрузок.
Износ в результате образования термических трещин
Данная проблема характерна для колес железнодорожных вагонов и локомотивов. В ходе движении состава машинисту приходится часто тормозить. Это приводит к проскальзыванию колес и их нагреву. При наборе скорости трущаяся поверхность довольно быстро остывает. Такое термоциклирование приводит к образованию множества трещин на поверхности колеса. Это существенно ускоряет износ изделия. В настоящее время для производства железнодорожных колес используют специальные легированные стали. А вот раньше применяли стали обыкновенного качества. Старые колеса и сегодня используются на многих поездах, поэтому эта проблема по-прежнему актуальна.
