1.Закономерности изнашивания деталей во времени. Анализ кривой нарастания износа (V) от времени работы сопряжения.

Изнашивание —процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) увеличении его остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ —результат изнашивания, определяемый в единицах длины, объема, массы. Износ деталей и соединений приводит к ухудшению функциональных показателей машины и, как правило, регламентирует ее ресурс. В результате износа нарушается кинематическая точность механизмов, снижается производительность, уменьшается прочность деталей, увеличиваются расходы на ремонт машины, затраты энергии на производство конечной продукции, появляются не предусмотренные расчетом дополнительные нагрузки, вибрация, шум.

Термины и определения в области изнашивания регламентированы ГОСТ 27674 «Трение, изнашивание и смазка». Количественно изнашивание характеризуется скоростью изнашивания v отношением износа Д/г к интервалу времени t, в течение которого онвозник, или интенсивностью изнашивания I —отношением износа Ah к обусловленному пути L, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы. Различают мгновенную(в определенный момент времени) и среднюю скорость изнашивания (за определенный интервал времени).

Под износостойкостью понимают свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания.

Значения износостойкости на практике колеблются от 10³ д10¹³. Установлены десять классов износостойкости изделий (табл. 1.1) — от 3 до 12 в соответствии с показателем степени.

Ввиду сложности процессов, протекающих в поверхностных слоях твердых тел при изнашивании, различия условий и режимов работы соединений и причин изнашивания предложить строгие единые классификационные признаки всего многообразия процессов изнашивания невозможно.

Наиболее распространена следующая классификация видов изнашивания по воздействию на поверхность трения и протекающих на ней процессов при эксплуатации машин:

механическое изнашивание —абразивное, гидроабразивное(глюабразивное), гидроэрозионное (газоэрозионное), кавитациопмое, усталостное, изнашивание при фреттинге, изнашивание при заедании;

коррозионно-механическое —окислительное, изнашивание при фреттинг-коррозии;

электроэрозионное.

Механическое изнашивание —изнашивание в результате механических воздействий. Коррозионно-механическое изнашивание—изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохимическим взаимодействием материала со средой. Электроэрозионное изнашиваниепроисходит при прохождении через контакт трущихся поверхностей электрического тока. Характерные причины образованияразличных видов изнашивания и примеры изнашивания приведены в таблице 1.2.

Рассмотрим основные методы повышения износостойкости со-единений и деталей машин.

Накопленные мировой практикой методы и способы предотвращения износа в машинах можно разделить на следующие группы: материаловедческие; технологические; конструкционные; производственные и эксплуатационные.

Материаловедческие методы включают направленный синтез износостойких конструкционных и смазочных материалов, выбор рациональных конструкционных и смазочных материалов в соединениях, изучение и управление процессами, протекающими в материалах при изнашивании. При этом важно помнить, что износостойкость не является постоянным свойством материала, а проявляется в конкретных условиях и режимах эксплуатации. Материалы деталей и соединений помимо износостойкости должны обладать комплексом других свойств, обеспечивающих надежнуюработу конструкции в целом.

Технологические методы предупреждения износа основаны на больших технологических возможностях управления износостойкими свойствами деталей на этапе их производства. Это физико-химическое, тепловое, механическое воздействия на поверхностные слои материалов; покрытие, наплавка рабочих поверхностей деталей, модифицирование поверхностных структур под воздействием различного рода физических полей и частиц, несущих высокую энергию.

Конструкционные методы обеспечивают износостойкость на папе проектирования машин, они направлены:на смягчение режимов работы материалов в деталях и узлах трения (уменьшение температуры, нагрузки, скорости)защиту трущихся деталей от контакта с абразивной и агрессивной средой;

исключение режимов трения без смазочного материала или в условиях скудной смазки; компенсацию износа деталей; обеспечение равномерного изнашивания деталей;

исключение катастрофических видов изнашивания деталей при схватывании и задире;

обеспечение ремонтопригодности деталей и агрегатов.

Этого достигают: рациональным подбором сочетания материалов в сопряжении; выбором рациональной геометрии и кинематики работы узла; заменой опор скольжения на опоры качения; применением разных способов смазки, различного рода уплотнений, затворов, фильтров, отстойников и т.д.; доступностью и простотой обслуживания, ремонта и замены деталей и узлов.

Производственные и эксплуатационные методы обеспечения износостойкости реализуют в процессе производства и эксплуатации. На этапе создания техники необходимо точное соблюдение технологии изготовления деталей и соединений в соответствии с заложенными в проект требованиями. В процессе изготовления контролируют следующие параметры: качество поверхностей трения; отклонение формы деталей; твердость поверхностей; точность сборки; биение; регламентированные зазоры и т. д.

С целью контроля износостойких показателей проводят стендовые ускоренные испытания отдельных деталей, соединений, агрегатов. Опытные образцы техники проходят полигонные и эксплуатационные испытания. На этих этапах устраняют возможные недоработки в износостойкости деталей, рабочих органов машины и регламентируют их режимы и условия эксплуатации.

В условиях реальной эксплуатации для обеспечения износостойкости и увеличения ресурса машины необходимо соблюдать режимыэксплуатации, регламентированные в технических условиях; правила технического обслуживания; своевременное и качественное диагностирование состояния деталей и агрегатов; сроки ремонта и замены изношенных деталей и соединений, ресурс которых исчерпан.

Общепринятая классификация видов изнашивания не является строгой и не включает многие виды разрушения поверхности при трении, например водородное изнашивание, изнашивание при избирательном процессе и др.

Открытие эффекта водородного изнашивания принадлежит Д. Н. Гаркунову и А. Л. Полякову. Появление водорода в поверхностных слоях обусловлено интенсивным его выделением из смазочных материалов, топлива, окружающей газовой среды и неметаллических пар трения в результате трибохимических реакций.

Присутствие водорода в поверхностных слоях может быть также

результатом процессов литья и химико-термической обработки. Металлов. Адсорбция водорода, его диффузия в поверхностные слои и концентрация на некоторой глубине от поверхности в обит ш максимальных температур обеспечивается спецификой температурного режима трения.

Поверхностный слой, насыщенный водородом, разрушается в езультате образования большого числа трещин по всей зоне деформирования. Водородное изнашивание наблюдают в насосах, перекачивающих продукты нефтеперегонки, при трении полимеросодержащих тормозных колодок и в других узлах.

Уменьшение водородного изнашивания возможно легированном стали хромом, ванадием, титаном; применением смазочных материалов и введением в них ингибиторов; наполнением пластмассовой матрицы металлической стружкой; наведением электрогатического поля.

Скорость изнашивания может быть существенно понижена при формировании в процессе трения на поверхности детали пленок меди. Образование таких сервовитных пленок связывают с избирательным растворением и осаждением отдельных элементов сплавов, содержащих медь. Это явление имеет электрохимическую природу и получило название «избирательного переноса» (открыто Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским).

Избирательный перенос —наиболее яркое проявление эффекта двухслойной смазки, при котором и слой мягкого металла, покрывающего поверхности трения, и слой поверхностноактивных веществ (ПАВ), адсорбировавшихся на нем, образуются непосредственно в процессе трения. Использование оригинального и перспективного эффекта избирательного переноса позволяет получить коэффициенты трения 0,01...0,005, интенсивность изнашивания , в то время как при граничной смазкеи обычных условиях коэффициент трения составляет 0,05...0,1,а интенсивность изнашивания —10³…10¹°. Это дало основание называть явление избирательного переноса эффектом безызносности.

Избирательный перенос реализуется при трении стали по определенным медным сплавам (например, по некоторым бронзам или латуням) в ряде сред (прежде всего в глицерине, спиртоглицериновых средах, морской воде и т.д.) в определенных интервалах изменения условий работы соединения.

Под действием глицерина (или другой среды) при трении начинается избирательное анодное растворение легирующих бронзу элементов. Атомы этих элементов уносятся в смазочную среду, а поверхность бронзы обогащается медью. В восстановительной среде, которой является глицерин, эта медь не окисляется и полому очень активна. Она легко схватывается со стальной поверхностью, покрывая ее тонким слоем.

В этом слое возникает большое количество вакансий, часть которых образует поры, заполняемые молекулами глицерина. В результате образуется так называемая сервовитная пленка толщиной 1 ...2 мкм, которая имеет низкую прочность на сдвиг и не наклёпывается при трении. Она прекрасно адсорбирует активные компоненты среды, прежде всего комплексные соединения, образуемые растворенными элементами сплава и продуктами механохимических превращений смазочной среды. Кроме того, обладая высокой теплопроводностью, она способствует снижению температуры поверхности трения путем отвода теплоты в глубинные слои материала.

Избирательный перенос, к сожалению, реализуется лишь при определенных сочетаниях материалов трущихся тел и смазочных материалов в определенном, достаточно узком интервале изменения действующих факторов (нагрузочных, скоростных и особенно температурных).

В общем случае процесс изнашивания деталей машин при постоянных условиях проходит три стадии (рис. 1.1). На стадии (до точки А) осуществляется процесс 1 приработки, т. е. процесс изменения геометрии поверхности трения и физико-химических свойств материала. В процессе приработки, характеризуемом достаточно высокой скоростью изнашивания и существенным накопленным износом, устанавливается определенная для данной трибосистемы шероховатость, не зависящая от первоначальной шероховатости, полученной в результате технологической обработки, а зависящая от трущихся тел и смазочного материала, а также от условий изнашивания (нагрузки, скорости, температуры, условий смазывания и т. д.).

После завершения образования равновесной шероховатости иоптимальных для данного соединения структур поверхностныхслоев трущихся тел начинается процесс установившегося изнашивания (рис. 1.1, стадия II). При этом интенсивность изнашивания постоянна и достаточно невелика. Тем не менее постепенное накопление износа через определенный период приводит к столь значительному изменению размеров и формы деталей, что условия работы узла трения значительно ухудшаются. Так, увеличение зазоров в сопряжениях вследствие износа составляющих их элементов приводит к повышению динамических нагрузок. Наступает переход к третьей стадии изнашивания катастрофическому изнашиванию (рис. 1.1, стадия III за точкой С). Скорость изнашивания резко возрастает, существенно увеличивается накопленный износ, и нежелательные явления в системе усиливаются. Видно, как на этой стадии резко увеличивается частота отказов трущегося сопряжения, т. е. увеличивается вероятность выхода из строя соединения.

Поскольку выход из строя соединения обусловлен изнашиванием рабочих элементов, для различных деталей можно установить характерный для них предельный износ —износ, соответствующий предельному состоянию изнашиваемого изделия или его составной части.

При достижении предельного состояния необходимо установить, возможно ли дальнейшее использование машины или ее составной части: направить на капитальный ремонт или списать.