4 Основные понятия о природе трения и путях повышения сопротивления изнашиванию деталей

4.1 Механизм износа, причины и условия развития трения

Поверхность твердого тела волниста и шероховата. Самые гладкие металлические поверхности, встречающиеся в машиностроении, имеют выступы высотой 0,05—0,1 мкм, которые обычно располагаются на некоторой волнистой поверхности. Шаг этой волны меняется в пределах 1000—10 000 мкм, а высота —от единиц до 20—40 мкм.

Рассматривая механический контакт касания двух твердых тел [6], представляющий собой совокупность точек, через которые передается давление (рис. 4.1), следует различать: 1 — номенклатурную (геометрическую) площадь контакта, которая ограничена размерами соприкасающихся тел; 2 — контурную площадь соприкосновения, представляющую собой площадь, образованную объ­емным смятием тел, обусловленным волнистостью; 3 — фактиче­скую площадь контакта, представляющую собой сумму фактиче­ских малых площадок соприкосновения тел.

Под влиянием сжимающей нагрузки две наложенные одна на другую поверхности по мере сближения соприкасаются во все большем количестве точек. Вначале взаимодействующие элементы деформируются упруго, а затем по мере нарастания нагрузки упругая деформация сменяется пластической. Под влиянием общей сжимающей нагрузки деформируются отдельные волны. При снятии нагрузки волны выпрямляются и разрушают образовавшиеся пятна касания.

Рис. 4.1. Схема соприкосновения

Трение развивается в микрообъемах, возникающих в зонах ка­сания двух твердых тел; процесс изнашивания также протекает в части микрообъемов. В процессе трения свойства материалов изменяются, поэтому можно рассматривать возникающую в пятнах касания фрикционную связь условно как третье тело, образованное двумя трущимися материалами. Это третье тело включает в себя измененный материал двух контактирующих тел, имеющих свой химический состав, напряженное состояние и структуру, трущихся поверхностей.

Фрикционной связью будем называть лишь те касания, которые образуются, существуют и исчезают при совместном действии нор­мальных и тангенциальных сил. Таким образом, образовавшийся в результате трения мостик сварки, продолжающий существовать при снятии нормальной нагрузки, не представляет собой фрикционной связи. Этот же мостик, образующийся при наличии сжимающей нагрузки и разрушающийся при ее снятии, представляет собой фрикционную связь.

Таким образом, существенным для понимания трения твердых тел является то обстоятельство, что вследствие шероховатости и волнистости поверхностей контактирование происходит в отдель­ных пятнах. Взаимодействие поверхностей на этих пятнах имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Механическое взаимодействие обусловлено взаимным внедрением отдельных то­чек касания. Одна поверхность внедряется в другую в результате не только имевшейся шероховатости, но и образующейся под на­грузкой вследствие анизотропии механических свойств. Даже со­вершенно гладкие поверхности могут оказаться шероховатыми под влиянием сжимающей нагрузки.

Молекулярное взаимодействие обусловлено взаимным притя­гиванием поверхностей двух тел. Практически молекулярное при­тяжение или пренебрежительно мало, или приводит к образованию прочной связи, которая может разрушаться лишь в образовавшемся объеме.

Как сказано выше, контактирующие поверхности имеют неров­ности и под воздействием сил трения могут разрушаться. Тот или иной вид разрушения зависит как от свойств трущихся тел, так и от внешних условий, нагрузки и скорости скольжения.

При рассмотрении процесса трения и изнашивания следует раз­личать три последовательных этапа:

1. образование фрикционной связи как результат взаимодей­ствия поверхностей;

2. существование фрикционной связи, обусловленное измене­ниями, протекающими на соприкасающихся поверхностях в про­цессе трения, в результате деформаций и развивающихся темпе­ратур;

3. нарушение фрикционной связи и разрушение поверхностей.

Существует несколько классификаций видов износа, разрабо­танных Б. М. Костецким, И. В. Крагельским, М. М. Хрущовым и др. Рассмотрим наиболее известные.

Молекулярно-механическая теория внешнего трения в основ­ном разработана в трудах И. В. Крагельского и Б. В. Дерягина, которые различают три вида взаимодействия поверхностей: меха­ническое зацепление отдельных шероховатостей, молекулярное взаимодействие сближенных твердых тел, проявляющееся в их притяжении, и молекулярное схватывание.

Б. М. Костецкий исследовал процессы износа на основе метал­ловедческих концепций. Основными он считает износы схватыва­нием первого рода, тепловой (схватыванием второго рода), окис лительный, абразивный, осповидный. В основу классификации ви­дов износа положено представление о наличии ведущего и сопут­ствующего видов износа.

М. М. Хрушов различает следующие виды износа: механичес­кий (абразивный при пластическом деформировании и хрупком разрушении), коррозионно-механический (коррозионный и окис­лительный).

В процессе работы машины имеют место все три вида износа с преобладанием одного из них.

Анализ существующих представлений о видах износа позволя­ет заключить, что в общем случае износ представляет собой сме­шанный процесс с преобладанием одного из них. Трение и износ — явления взаимосвязанные, однако на степень износа возможно воздействовать рядом факторов.

При разработке и конструировании машин и механизмов необходимо предусматривать мероприятия по борьбе с износом, которые можно разбить на три группы:

• мероприятия, связанные с подбором материалов, из которых собираются пары трения соответствующей технологической обра­ботки, применением смазок, обеспечивающих минимальный износ;

• конструктивные мероприятия, обеспечивающие равномерное распределение давления в узле трения, теплоотвод, защиту узлов трения от попадания посторонних частиц, отвод продуктов износа, возобновление на поверхности трения защитной пленки;

• мероприятия, зависящие от технического уровня обслуживания и эксплуатации.

Рассмотрим вопросы, связанные с повышением эксплуатационной надежности бурового и силового оборудования. Под эксплуатационной надежностью понимается свойство оборудования выполнять все заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение установленного времени.

Грамотно спроектированное, качественно изготовленное, тща­тельно испытанное в стендовых и промысловых условиях и квали­фицированно эксплуатируемое оборудование не должно отказывать в работе. На практике отказ оборудования явление довольно распространенное. Следует различать отказы трех типов, которые присущи оборудованию: приработочные, внезапные и вызываемые износом.

Приработочный отказ является следствием отсутствия обкатки оборудования на заводах-изготовителях и в начальный период в условиях эксплуатации на буровых и промыслах. С целью ис­ключения приработочных отказов обкатка оборудования на заводах-изготовителях и в начальный период эксплуатации является обязательной.

Внезапные отказы возникают вследствие внезапных концентраций нагрузок, превышающих расчетные, и носят случайный характер. Эти отказы характерны для периода нормальной работы оборудования — после обкатки и перед началом износа. В условиях буровой внезапные отказы могут, например, возникнуть в пе­риод затяжки бурильной колонны, когда нагрузка на крюке бу­ровой установки превышает технически допустимые.

Износовые отказы носят закономерный характер и полностью их избежать невозможно. Однако влиять на их снижение возможно путем проведения технического 'обслуживания, применения смазок, обеспечивающих минимальный износ при создании в зоне контакта взаимодействующих деталей надежной масляной пленки.

Сущность и законы поведения масляного слоя между трущи­мися поверхностями были .раскрыты проф. Н. П. Петровым, разра­ботавшим теорию гидродинамической смазки.

Рис. 4.2. Схема гидродинамического режима смазки при вращении вала в под­шипнике:

а — вал в покое; б —начало вращения; в — гидродинамический режим смазки

Основные положения гидродинамической теории смазки за­ключаются в следующем. При вращении вала в подшипнике пер­вые слои масла, прочно прилипшие к поверхности вала, увлекают за собой следующие слои масла. Зазор между неподвижным ва­лом и подшипником имеет серповидную форму (рис. 4.2); при этом вал опирается на подшипник. Пришедший в движение вал прогоняет частицы масла из широкой части зазора в узкую. Частицы масла как бы начинают толпиться в узкой части зазора, создавая тем самым давление. Между вращающимся валом и нижней частью подшипника образуется своеобразный масляный клин. Под давлением этого клина вал в подшипнике поднима­ется и между валом и нижней стенкой подшипника появляется слой масла. В этот период вращения вала он уже не касается сте­нок подшипника, а оказывается лежащим на масляной подушке, т. е. возникает жидкостное трение.

Согласно гидродинамической теории смазки, при жидкостном трении сила трения в подшипнике обусловливается только вязко­стью масла и не зависит от материала, из которого изготовлены вал и подшипник, и от состояния трущихся поверхностей. В реальных условиях износ пар трения зависит от материала, качества обработки поверхности, сорта масла и др.

Какими основными свойствами должно обладать смазочное масло?

Прежде всего требуется, чтобы оно растекалось по поверхно­сти («смачивало» ее), при этом первые слои должны прочно при­ставать, прилипать к металлической поверхности. Такое сложное свойство жидкости называют маслянистостью. Жидкость, облада­ющая маслянистостью, хорошо растекается по металлу, проникает в зазоры и прочно укрепляется на поверхности металла.

Важным свойством масла является наличие силы сцепления молекул между собой, так называемое внутреннее трение. Чем больше эта сила, тем больше вязкость масла, и наоборот чем больше вязкость масла, тем большая сила требуется, чтобы привести в движение слои масла, и тем больше жидкостное трение. Жидкостное трение растет с увеличением площади соприкоснове­ния пар трения и скорости скольжения.

Эти три положения гидродинамической теории смазки объяс­няют, от чего зависят потери на трение при гидродинамическом режиме смазки. Рассмотрим условия возникновения и нарушения жидкостного режима смазки.

Надежность жидкостной смазки зависит от силы масляного клина. Чем она больше, тем выше поднимает он вал в подшипнике и, следовательно, тем толще слой масла между нижней частью вала и стенками подшипника. При этом меньше опасность возникновения сухого трения между валом и подшипником. Сила масляного клина зависит от частоты вращения вала в подшипнике и от вязкости масла. Чем быстрее вращается вал, тем больше он захватывает частиц масла и тем большей скоростью посылает их в узкий зазор, тем больше давление масляного клина и тем выше масляный клин поднимает вал в подшипнике и, следовательно, тем толще слой масла между валом и подшипником.

С увеличением вязкости масла вследствие большего сцепления молекул между собой вращающийся вал будет увлекать больше частиц масла, а это приведет к увеличению силы масляного клина (несущей способности масляного слоя). Отсюда следует, что надежность жидкостной смазки возрастает с повышением скоро­сти относительного движения трущихся поверхностей и с увеличением вязкости масла.

Таким образом, большие частота вращения вала и вязкость масла вредны, так как приводят к большим потерям на трение, однако они необходимы для создания жидкостной смазки. Чтобы устранить это противоречие, следует подбирать масло с надлежащей вязкостью. Для быстровращающихся валов берут масло с наименьшей вязкостью, а для тихоходных машин, когда частота вращения вала не может обеспечить образование масляного клина достаточной силы, применяют масло с наиболее высокой вязкостью. Тончайший слой масла обладает огромной силой: масляный слой толщиной с папиросную бумагу на одном квадратном сантиметре выдерживает нагрузку в несколько тысяч ньютонов.

В свете гидродинамической теории рассмотрим взаимодействие вращающегося вала и подшипника при увеличении нагрузки на вал (рис. 4.3).

В положении, когда нагрузка на вал не превышает 1 кН, обес­печивается гидродинамический режим смазки. С увеличением на­грузки до 2 кН толщина несущего масляного слоя уменьшается, но гидродинамический режим работы пары трения сохраняется. При достижении нагрузки 4 кН слой масла между валом и подшипником нарушается. Возникает сухое трение, вследствие чего подшипник разрушается.

Масляный слой может разрушаться не только под влиянием нагрузки, но и при изменении скорости движения пар трения и под действием высокой температуры.

Во всех этих случаях жидкостная смазка переходит в сухое трение через промежуточный режим — граничную смазку. Граничной смазкой называют тончайший слой масла, который находится под воздействием молекулярных сил металлической поверхности.

Рис. 4.3. Схема взаимодействия вращающегося вала и подшипника при увеличении нагрузки на вал

Этот слой масла, очень прочно приставший к металлу, не может свободно передвигаться, как жидкость. Граничное трение мало чем отличается от сухого и практически ведет к выходу из строя двигателя или машины.

Наука, изучающая теорию и практику рационального исполь­зования горючих и смазочных материалов в технике, называется химмотологией.

Рациональное использование горючих и смазочных материалов при эксплуатации буровых установок и силовых приводов к ним имеет исключительно важное значение с точки зрения эксплуата­ционной надежности, долговечности и экономичности.

Среди многочисленных свойств, на которых базируется оцен­ка качества горючесмазочных материалов, важнейшими являются:

физико-химические, определяемые в лабораторных условиях различными методами анализа. Это плотность, вязкость, поверх­ностное натяжение, теплота сгорания, испаряемость, окисляемость, электропроводность, теплопроводность и др;

эксплуатационные, проявляющиеся при использовании продукта непосредственно в двигателях внутреннего сгорания, механизмах буровых установок. К этим свойствам относят детонацион­ные склонность к нагаролако- и осадкообразованию, моющие, коррозионные, противоизносные, пусковые и др.;

экологические, которые проявляются при взаимодействии продукта с окружающей средой: при контакте со средствами механи­зации в условиях хранения, транспортирования, перекачки и фильтрации, при контакте с человеком, атмосферой, водой, жи­вотным и растительным миром.