Износ материалов

ТРЕНИЕ

С точки зрения надежности трению принадлежит ведущая роль в определении энергетической эффективности машин. С одной стороны решается проблема уменьшения потерь на трение, увеличение к.п.д, с другой - совершенствование фрикционных тормозных механизмов (пример механизма??????). Это задачи, которые постоянно приходится решать в инженерной практике. Экспериментально установлено, что большая часть энергии, выделяющейся при трении, переходит в тепло (по некоторым данным до 99 %) и малая доля поглощается материалом трущейся пары, вызывая структурные и иные преобразования в его поверхностном слое, включая его разрушение с отделением разрушенных частиц, т.е. износ. В свою очередь, тепловыделение при трении приводит к повышению температуры трущихся тел, которая в сильной степени влияет на интенсивность указанных процессов. Современная наука о трении не располагает базовой физической закономерностью, объясняющей природу трения. Для объяснения сил трения скольжения (какое еще бывает трение?) привлекаются механические, физические и химические связи и реакции, которые могут возникать в контакте трущихся тел. Обобщенная формула для сил трения имеет следующий вид:

F =F _мол + F _мех = А + f N,

где F _мол = А = const – молекулярная составляющая силы трения; F _мех = f N – механическая составляющая, равная произведению коэффициента трения на силу нормального давления. Принципиально эта формула тождественна формуле Кулона (17-й век). Следует отметить, что для объяснения сил трения качения также привлекаются до 8-10 факторов механического, электромагнитного и др. характера катящихся тел.

Для того, чтобы перейти к вопросу о режимах трения скольжения, рассмотрим структуру поверхностного слоя металла и покрывающих его слоев (Рис.1).

Если придерживаться инженерно-физического подхода к проблеме, то удается определить довольно четкие границы режимов трения в скользящем контакте (I и II на рис.2). Первая из них определяет область трения двух тел, полностью лишенных третьей фазы, т.е. любой среды, отличной от основного металла тел. Строго говоря, это все, что выше слоя № 2 на рис.1. Этот режим называется трением ювенильных поверхностей, или просто ювенильным трением. Условия для такого режима трения возникают, например, в космосе и в ряде случаев на Земле.

Рисунок 1 – Структура поверхностного слоя металла и покрывающих слоев

1 – металл с исходной структурой; 2 – наклепанный слой; 3 – слой окислов;

4 – адсорбированный слой газов; 5 – адсорбированный слой воды; 6 - поверхностно-ориентированный слой полярных молекул; 7 – слой жидкой смазки

Вторая граница отделяет область жидкостного трения, особенностью которого является полное разделение поверхностей слоем жидкости, сохраняющей объемные свойства (на рис.1 – это слой №7). Иногда роль разделителя может выполнять воздух или газ.

Рисунок 2 – Схема соотношения режимов трения

Наиболее обширная область лежит между границами I и II и определяется как область граничного трения. В данном случае тонкие пленки смазки, покрывающие металл, теряют свойства жидкости и проявляют упругость формы. Способность таких пленок передавать нормальные и касательные усилия, аналогично твердым телам, является их характерной ососбенностью. Режим граничного трения существует при гораздо большем диапазоне изменения нагрузок, скоростей и температур, чем режим жидкостного трения.

С точки зрения механики машин в смазываемых узлах установление четких границ различных режимов трения нереально. В большинстве случаев в сопряжениях наблюдается смешанное трение, характеризуемое одновременным воздействием всех физически возможных режимов на различных участках шероховатости трущихся поверхностей (рис.3).

Рисунок 3 – Режимы трения на шероховатой поверхности

Условно сухим трением называют режим при отсутствии смазки, т.е. 6–7 слоев на рис.1.

Жидкостное трение является наиболее желательным с точки зрения трения и износа. Оно может обеспечиваться за счет подачи жидкой смазки в зазор под давлением от постороннего источника (гидростатическое) или смазка может нагнетаться в зазор движением самих скользящих тел (гидродинамическое). В последнем случае необходимыми условиями являются определенный уровень скорости, нагрузки и вязкости смазки в зазоре, имеющем форму клина. Клин может быть образован и непрямолинейными поверхностями, а также существовать при трении качения. Для подшипников скольжения зависимость сил трения от режима работы (скорости v и нагрузки Р) была установлена еще в начале прошлого века Герси и Штрибеком (рис.4).

Из рис.4 видно, что минимум силы трения соответствует переходу из режима граничного в режим гидродинамического трения. Существенной является оценка возможности возникновения гидродинамического режима в различных кинематических парах. По некоторым оценкам более 70% смазываемых узлов трения работают в режиме граничного трения. Экспериментальное решение этого вопроса основывается по большей части на измерении зазора между металлическими поверхностями различными методами (какие методы измерения знаете??). Существует мнение, что зазор более 0, 1-0, 2 мкм достаточен для течения жидкой смазки. Более определенный ответ на вопрос о характере трения в зазоре может дать теория колебаний. Если в экспериментальной установке обеспечить свободные колебания с затуханием за счет сил трения, то по виду кривой затухания можно судить о характере трения в кинематической паре.

Рисунок 4 – Зависимость силы трения в подшипнике скольжения

от скорости и нагрузки

I – граничное трение; II – смешанное трение; III – гидродинамическое трение

1 – есть износ; 2 – нет износа

В простейшем случае установка представляет собой маятник, скользящий по наклонной плоскости А (рис.5).

При последовательном нанесении все большего количества мономолекулярных слоев смазки на поверхность А огибающая затухающих колебаний превращается из прямой в экспоненту (рис.6).

Рисунок 5 – Схема установки для определения режима трения в ползуне наклонного маятника

В первом случае (рис.6, а) это свидетельствует о режиме сухого трения (точнее - граничного), во втором (рис.6, б) – о режиме вязкого, т.е. жидкостного трения.

а) б)

Рисунок 6 – Огибающие затухающих колебаний

а) – «сухое» трение; б) – жидкостное трение

Данный качественный анализ может быть количественно уточнен, если в уравнение колебаний ввести диссипативный член, где сила трения может быть представлена в виде полинома:

F = k₁ sign f^' + k₂ f^'+ k₃ f² sign f^',

где f – угол поворота колебательной системы; k₁, k₂, k₃ – коэффициенты, определяющие долю сухого, вязкого и турбулентного трения в контакте. Анализ кривой затухания с помощью численных методов позволяет количественно оценить коэффициенты k₁, k₂, k₃.

В заключение рассмотрим вопрос применения твердых смазок, в качестве которых обычно используют графит, дисульфид молибдена, а также полимеры (фторопласт, капрон). Механизм действия слоистых смазок типа графита состоит в малом сопротивлении сдвигу по плоскостям спайности (рис.7).

Рисунок 7 – Кристаллическая решетка графита

ИЗНОС МАТЕРИАЛОВ

Износ является наиболее характерным видом разрушения поверхности деталей большинства машин и механизмов, таких как: направляющие и опоры скольжения (пример из оборудования…..), поверхности трения фрикционных муфт, тормозных механизмов, зубчатые (редуктор станка-качалки), винтовые и червячные передачи, цилиндры, поршни и поршневые кольца двигателей и компрессоров, кулачковые механизмы, шарниры, оси и многие другие детали.

Износ – есть результат процесса постепенного изменения размеров детали по ее поверхности, происходящего под действием поверхностных сил при трении, связанного с потерей массы. Сам процесс называется изнашиванием.

Износостойкость - свойство материалов оказывать сопротивление изнашиванию. Оценивается величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания. Износостойкость проявляется по разному в зависимости от условий трения и вида изнашивания.

Следует заметить, что изменение размеров и начального состояния поверхности детали может происходить и в результате воздействия других сил, например давления (штамповка, дорнование, обработка давлением, накатка резьбы), но в этих случаях нет потери массы детали.

Изнашивание, так же как и трение, является комплексным процессом, не относящимся к основным, базовым закономерностям физики. При относительном перемещении двух поверхностей в области их контакта возникают механические и молекулярные связи, сопровождающиеся тепловыми, окислительными и другими процессами. Возникновение и разрыв таких связей приводит в конечном итоге к разрушению микрообъемов поверхности и их удалению, т.е. к износу.

Современные представления о природе изнашивания базируются на хорошо изученном факте дискретности контакта шероховатых тел. Данный факт установлен микроскопическими исследованиями отпечатков или следов после пропускания травящего раствора через нагруженный контакт. Фактическая площадь контакта F _ф металлических поверхностей при умеренных давлениях составляет от номинальной F _н площади не более 0, 1 – 1, 0% (рис.8).

В связи с этим и фактическое контактное давление многократно превосходит номинальное (удельное) давление:

Р/ F _ф = р _ф > > р _н = Р/ F _н

Характерно, что в современной теории изнашивания избегают связывать интенсивность отделения разрушенных частиц поверхности с касательными силами трения, хотя это логически очевидно. Дело в том, что, как уже отмечалось ранее, далеко не вся энергия, выделяющаяся при трении, идет на разрушение поверхности. Поэтому прямое введение коэффициента трения в расчет износа невозможно. Кроме того, вычисление самих сил трения на основе коэффициентов трения есть условность, при которой дискретная система выступов фактического контакта заменяется непрерывным слоем, являющимся носителем непрерывно распределенных касательных усилий. Наконец, как отмечалось ранее, при одинаковом коэффициенте трения износ будет зависеть от режима трения (точки 1 и 2 на рис.4).

Дискретность контакта при изнашивании поверхностей позволяет расчленить процесс на единичные акты, представив их в виде условных моделей взаимодействия единичной жесткой микронеровности (идентора) с гладкой упруго-пластичной поверхностью. Виды фрикционных связей приведены в таблице 1.

Основными характеристиками, определяющими вид фрикционной связи, является глубина внедрения идентора h, его радиус R, а также градиент механических свойств по глубине d t/ dh, где t – сопротивление сдвигу. Условием внешнего трения является положительный градиент свойств.

Число циклов до разрушения микрообъема поверхностного слоя зависит от характера деформирования. При этом износ может быть объяснен следующими причинами (таблица 1): I – фрикционная усталость; II - малоцикловая фрикционная усталость; III – микрорезание; IV – усталостное разрушение микропленок; V – образование и разрушение мостиков сварки.

По внешнему виду изношенных поверхностей и условиям работы можно установить преобладающий вид фрикционных связей, в соответствии с чем устанавливают вид изнашивания (рис.8).

Таблица 1 – Виды фрикционных связей

Вид	Схема	Характер деформирования	Число циклов до разрушения	Условия существования
I		Упругое оттеснение материала	n ≥ n кр	h / R < 0, 01 (а) h / R < 0, 001 (б)
II		Пластическое оттеснение материала	1< n ≤ n кр	h / R < 0, 1 (в) h / R < 0, 3 (г)
III		Микрорезание материала	n = 1	h / R > 0, 1 (в) h / R > 0, 3 (г)
IV		Разрушение пленок окислов	n ≥ n кр	d t/ dh > 0
V		Разрушение основного материала	n = 1	d t/ dh < 0

а - черный металл; б - цветной металл; в - сухое трение; г - смазка

Рисунок 8 – Виды изнашивания

Абразивное изнашивание происходит в присутствии закрепленного или незакрепленного абразива или продуктов износа, играющих его роль. Преобладающий вид фрикционной связи – микрорезание (III, табл.1). Этот вид изнашивания весьма интенсивен и его стараются не допускать.

Усталостное (I) – допустимый вид изнашивания. Характеризуется усталостным разрушением поверхностного слоя при многократном его деформировании при трении.

Адгезионное (V) – недопустимый вид изнашивания, связанный с глубинным вырыванием материала. Наблюдается при схватывании и заедании трущихся поверхностей. Часто сопровождается резким повышением температуры в зоне контакта.

Избирательный перенос – процесс обмена группами атомов между сталью и медью (ее сплавами) в глицериносодержащих смазках.

Окислительное (IV) – наименее интенсивный вид изнашивания, когда металлы не взаимодействуют, а окисные пленки постоянно восстанавливаются после их износа. Окислительное изнашивание считается нормальным, допустимым видом.

Фреттинг-коррозия происходит в местах циклических контактных деформаций в пределах упругости. При этом наблюдается интенсивное окисление поверхности.

К механическому также относятся эрозионное и кавитационное изнашивание.

Эрозионное изнашивание происходит в результате воздействия на поверхность потока жидкости (гидроэрозионное) или газа (газоэрозионное). Если в потоке жидкости (газа) находятся твердые частицы, то их воздействие на поверхность тела вызывает гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание.

Кавитационное изнашивание возникает, если при передвижении жидкости относительно тела в ней нарушается сплошность, образуются пузырьки, которые захлопываются вблизи поверхности, ударно воздействуя на нее.

Разновидностью коррозионно-механического являются электроэрозионное и водородное изнашивание.

Электроэрозионное изнашивание обусловлено воздействием проходящего через контакт деталей электрического тока.

Водородное изнашивание возникает при концентрации водорода в поверхностных слоях трущихся тел.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ

Показателями износа являются:

линейный износ U (мкм) – изменение размера детали, измеренное по нормали к поверхности трения;

скорость изнашивания γ = dU/dt (мкм/ч), где t – время изнашивания;

интенсивность изнашивания J = dU/dS, где S – путь трения при изнашивании.

Иногда оперируют объемным или весовым износом.

Пределы изменений интенсивности изнашивания столь широки, что предлагается классификация, где интенсивности изнашивания отличаются на порядок (таблица 2) [1].

Таблица 2 – Классы износостойкости по интенсивности изнашивания

Приведенная таблица применяется для общей предварительной оценки интенсивности изнашивания. Для инженерных расчетов используется зависимость скорости изнашивания от внешних факторов, т.е. от контактного давления p и скорости скольжения v. Данная зависимость установлена экспериментально и имеет следующий вид:

γ = k p^m vⁿ,

где k – коэффициент изнашивания и, соответственно,

U = γ t = k p^m vⁿ t.

Здесь m и n – показатели степени, причем n ~1, а m в литературе обычно оценивается широкими пределами, например, m = 0, 5 – 3, 0. Следует отметить, что при установившемся процессе изнашивания отличие m от единицы отражает несовершенство эксперимента с учетом особенности конструкции испытательной машины и испытуемого образца, чем физику процесса. При m = n = 1 скорость изнашивания будет пропорциональна некоторой доли от мощности трения, что естественно для элементарного процесса трения «в точке». Поэтому для расчетов в основном используется зависимость

γ = k p v

для установившегося процесса изнашивания.

ИЗМЕРЕНИЕ ИЗНОСА

Классификация методов измерения износа приведена в таблице 3 [1].

Таблица 3 – Методы измерения износа

Для иллюстрации возможности количественной оценки долговечности сопряжения рассмотрим кинетику изнашивания пары трения скольжения: вал – втулка подшипника скольжения. На рис 8 а изображена кривая нарастания износа пары работающих деталей: по оси абсцисс указывается время работы пары, а по оси ординат – мера износа (в данном случае зазор). Кривая износа имеет три участка:

1 – начальный криволинейный участок I, характеризующий процесс приработки нового сопряжения (период τ ₀ – τ _нач);

2 – прямолинейный участок II (естественное изнашивание) наибольший по протяженности, отвечающий периоду нормальной работы сопряжения (τ _нач – τ _кон);

3 – конечный участок III, также криволинейный и соответствующий периоду выхода из строя сопряжения вследствие изнашивания его сверх допустимого предела.

Рисунок 8 а – Кривая нарастания износа пары работающих деталей

Период приработки τ _пр сопряжения характеризуется наибольшей скоростью изнашивания деталей сопряжения в начале периода (tgα = max) и стабилизацией скорости изнашивания в конце периода приработки (tgα = const). Это объясняется наличием значительных контактных напряжений в точках фактического контакта, которые находятся на вершинах неровностей сопряжений трущихся поверхностей.

По мере приработки микрошероховатости сопряженных деталей сглаживаются, площадь фактического контакта приближается к номинальной, фактические контактные напряжения снижаются, и скорость изнашивания стабилизируется.

Во избежание нарушения прочности сопряженных поверхностей в период приработки их не рекомендуется нагружать усилиями, близкими к номинальным.

Поэтому приработку, как правило, проводят на более легких режимах, с нагрузками, значительно меньшими, чем номинальные.

Период нормального изнашивания (естественного изнашивания) характеризуется постоянной скоростью (tgα = const). В течение этого периода естественное изнашивание сопряженных деталей растет вместе с увеличением времени работы механизма. Однако постепенное количественное нарастание изнашивания до некоторого предела не приводит к качественным изменениям в работе сопряжения. При переходе указанного предела (S_max) изнашивание приводит к резкому ухудшению в работе механизма, а процесс работы сопряжения становится динамическим (в результате недопустимого увеличения зазора). Изнашивание перерастает из естественного в аварийное (участок III).

Если допустить работу сопряжения в зоне аварийного изнашивания, то в результате нарушения жидкостного трения возникают явления схватывания и вырывания частиц материала сопряженных поверхностей, температура резко возрастает и сопряжение выходит из строя. Поэтому одна из основных задач технического обслуживания – своевременно определить момент предельного износа, предупредить аварийный износ, отремонтировать изношенное сопряжение и вернуть ему прежние эксплуатационные качества.

При оценке физической долговечности τ _ф сопряжения I и II участки рассматриваемой кривой должны исключаться, так как началом нормальной работы сопряжения считается момент окончания приработки τ _нач, а концом – момент времени τ _кон, соответствующий предельно допустимому износу (зазору) S_max. В данном случае физическая долговечность τ _ф любого сопряжения, работающего при установившемся режиме, может быть выражена следующей зависимостью

τ _{ф i} = S_max – S_нач / tg α,

где S_max и S_нач – соответственно предельно допустимый и начальный зазоры, мм; tg α – величина, характеризующая скорость изнашивания сопряжения (нарастания зазора).

Значение начального зазора S_нач и максимально допустимого зазора S_max в сопряжении определяются аналитически при расчете конкретного узла трения.

Скорость изнашивания конкретного сопряжения может быть установлена опытным путем.