Основные характеристики и закономерности изнашивания деталей машин. Предельные износы

Для характеристики изнашивания используют следующие показатели: линейный износ, скорость изнашивания, интен сивность изнашивания, износостойкость, относительная износостойкость .

Линейный износ U — это изменение размера детали (образца) в результате изнашивания в направлении, перпендикулярном поверхности трения.

Скорость изнашивания γ= dU/dt — отношение износа к времени изнашивания. По скорости изнашивания можно судить о долговечности детали.

Интенсивность изнашивания j= dU/ds — отношение износа к пути трения, на котором происходило изнашивание, или к объёму выполненной работы.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию при определённых условиях трения. Износостойкость оценивается величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания.

Относительная износостойкость — отношение износостойкости данного материала и материала, принятого за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях.

Основные факторы процесса изнашивания и их влияние на износ деталей. Среди факторов, влияющих на процесс изнашивания деталей, основными являются:

— конструктивные характеристики сопряжения, т.е. род трения (скольжение, качение или сложное трение), расчётные нагрузки, скорость относительного перемещения, характер движения (равномерное или неравномерное), расчётные зазоры, качество обработки сопрягаемых поверхностей, износостойкость материалов;

— эксплуатационные характеристики, т.е. соответствие расчётных нагрузок действующим, окружающая среда (повышенная влажность, запыленность, повышенная или чрезмерно низкая температура окружающей среды), качество смазки.

Зависимость скорости изнашивания от удельного давления и скорости относительного движения выражается формулой

где k — коэффициент, характеризующий влияние материала детали и качества поверхности;

р — удельное давление;

υ— скорость относительного движения;

m и n — постоянные, характеризующие вид смазки, качество смазочных материалов.

Для случая абразивного изнашивания, по данным М. М. Хрущова, скорость изнашивания прямо пропорциональна и , т.е. m = n = 1:

О дной из важнейших характеристик металлов и сплавов, влияющих на скорость почти всех видов изнашивания, является твёрдость: с возрастанием твёрдости износостойкость материала повышается. На рисунке показана износостойкость углеродистой стали при трении скольжения: U — износ, где; НВ — твёрдость стали по Бринеллю.

Рис.1Зависимость износа углеродистой стали от твёрдости

Из рисунка видно, что между твёрдостью и износостойкостью материалов прямой зависимости не имеется.

Структура металла детали значительно влияет на её износостойкость. Установлено, что с повышением содержания углерода износостойкость стали возрастает. Легирование сталей марганцем, хромом, никелем, вольфрамом и другими элементами повышает её износостойкость. Износостойкость чугунов в значительной мере зависит от состояния в них углерода. Если углерод находится в чугуне в виде цемен­тита Fe₃C, т.е. в связанном состоянии, то такой чугун более устойчив к износу, чем ферритный, в котором углерод нахо­дится в свободном состоянии в виде графита. Применяя тер­мическую и химико-термическую обработку чугунов (азоти­рование), повышают их износостойкость в 2-4 раза.

Окружающая среда оказывает значительное влияние на износостойкость деталей технологических машин, работаю­щих в самых разнообразных условиях (запыленная атмосфе­ра, повышенная влажность и др.).

Смазка трущихся поверхностей. Правильный выбор смазочных материалов и непрерывная подача их в зону трения являются решающими для нормальной работы со­единения.

Закономерность изнашивания деталей во времени. Из­нашивание деталей во времени обычно протекает неравно­мерно. На рисунке 1.2 показана кривая нарастания износа U у большинства подвижных соединений в зависимости от вре­мени работы сопряжения. Период времени I соответствует интенсивному изнашиванию. В этот период происходит про­цесс приработки деталей. В периоде времени II, называемом периодом нормального изнашивания, износ прямо пропор­ционален времени работы. В периоде времени III наступает

Р ис.2 Кривая нарастания износа U в зависимости от времени работы сопряжения

форсированное изнашивание. По классификации В.И. Казарцева, периоды времени I+II названы периодом естествен­ного изнашивания, а период времени III — периодом ава­рийного изнашивания.

Для установившегося износа (период II)

U = yt,

где у — скорость изнашивания (у — dU/dt). Для износа с учётом периода приработки

U = U_n+yt

где U_n — износ за период приработки.

Возрастание скорости изнашивания в период аварийного изнашивания связано с нарушением жидкостного трения и появлением вибраций из-за больших зазоров в соединении, повышением температуры в зоне трения и ухудшением каче­ства сопрягаемых поверхностей. В технологических маши­нах катастрофическое изнашивание не допускается.

Изменение начальных посадок в сопряжении.

В подвижных соединениях в результате из­нашивания сопрягаемых деталей возрастают зазоры, а в не­подвижных постепенно уменьшаются натяги. После некото­рого периода эксплуатации износ деталей в сопряжении дос­тигает предельного значения, при котором дальнейшая рабо­та узла становится технически ненадёжной или экономичес­ки нецелесообразной.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Методы оценки износа деталей разделяют на производ­ственные и лабораторные. К производственным относятся метод микрометрирования детали и метод косвенной оценки по изменению эксплуатационных характеристик сопряжения; к лабораторным (исследовательским) методам — взвешива­ние деталей, определение количества железа в масле карте­ра, применение радиоактивных изотопов, метод искусствен­ных баз, профилографирование.

Метод микрометрирования основан на измерении ли­нейных размеров деталей, бывших в эксплуатации, с исполь­зованием универсальных измерительных средств (микромет­ров, штангенциркулей, индикаторных приборов и др.).

Оценка износа по изменению эксплуатационных харак­теристик сопряжения или узла широко используется в про­изводстве. Например, износ деталей масляного насоса кос­венно может быть определён по падению давления масла, износ деталей поршневой группы двигателя — по пропуску газов в картер двигателя, износ подвижного соединения — по изменению его температуры в процессе эксплуатации, например в подшипниках скольжения и т.д.

Метод взвешивания заключается в определении массы детали до эксплуатации и после неё. Этот метод применять нельзя, если превалирующим является износ от пластичес­кого деформирования деталей.

Определение количества железа и других продуктов из­носа в масле заключается в химическом анализе отработан­ного масла. Недостатком способа является невозможность определения износа каждой детали узла. Преимущество — отсутствие необходимости разборки агрегата.

Метод радиоактивных изотопов основан на использо­вании изотопов вольфрама, сурьмы или кобальта, вводимых в поверхностный слой рабочей поверхности детали. Интен­сивность излучения масла, регистрируемого специальными приборами (счётчиками), является показателем интенсивно­сти изнашивания детали.

Метод искусственных баз, предложенный М. М. Хру­щёвым и Е. С. Берковичем, заключается в нанесении на ра­бочую поверхность новой детали специального углубления (лунки) или выточки. По изменению размера углубления после определённого времени эксплуатации определяют рас­чётом линейный износ в пределах этой поверхности.

Метод профилографирования основан на определении с помощью профилографа весьма малых износов у таких дета­лей, как поршневые пальцы, плунжеры.