Изнашивание деталей

Изнашиванием называется процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

В результате изнашивания изменяются размеры деталей, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук. Все это вызывает отказ машин.

Изнашивание является сложным физико-химическим процессом, зависящим от материала и качества поверхностей трущихся деталей, характера контакта и условий трения, нагрузки, скорости относительного перемещения и других факторов[*].

Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и изнашивание при действии электрического тока.

При механическом изнашивании определяющими являются фрикционные связи, возникающие между поверхностями пар трения. Процесс изнашивания происходит за счет механического разрушения, микрорезания, глубинного вырывания металла и др. в местах касания трущихся поверхностей.

При коррозионно-механическом изнашивании основное влияние на процесс изнашивания оказывает химическая реакция материала пар трения с кислородом или окисляющей окружающей средой с образованием оксидных пленок и последующим их разрушением под механическим воздействием с повторением процесса. Коррозионно-механическое изнашивание может иметь место с преобладанием окислительных процессов (гильзы цилиндров, поршневые кольца, подшипники скольжения и др.), и с преобладанием механического разрушения (пальцы и траки гусениц, диски сцеплений, диски и барабаны тормозов и др.).

При изнашивании под действием электрического тока процесс изнашивания происходит в результате воздействия электрических разрядов (электрической эрозии).

Наиболее распространенным видом изнашивания является коррозионно-механическое с преобладанием окислительных процессов.

По виду активного агента осуществляющего процесс разрушения контактирующих поверхностей и характеру его воздействия различают: абразивное (гидроабразивное, газоабразивное), кавитационное, усталостное изнашивание, изнашивание при фреттинге, изнашивание при заедании и др.

Абразивное изнашивание происходит в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся между контактирующими поверхностями в свободном или закрепленном состоянии.

Изнашивание, происходящее в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным. Оно имеет место в крыльчатках и корпусах насосов, на внутренних поверхностях крыльев и брызговиков и т.п. Если абразивные частицы увлекаются потоком газа, то вызываемое ими изнашивание называется газоабразивным. Оно характерно для внутренних поверхностей деталей системы выпуска отработавших газов.

Под кавитационным изнашиванием понимают изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают детали гидротрансформаторов, трубопроводы высокого давления, внутренние полости для охлаждающей жидкости блоков цилиндров и головок цилиндров двигателей.

Усталостное изнашивание (контактная усталость) происходит в результате накопления повреждений при деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя под влиянием циклических контактных нагрузок. Усталостное изнашивание проявляется при трении качения или, реже, качении с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным. Процесс изнашивания заключается в разрушении микровыступов подвергаемого наклепу поверхностного слоя и проявляется в виде местных очагов разрушения (питтинг). Усталостное изнашивание характерно для деталей подшипников качения, зубьев тяжелонагруженных шестерен (главные и бортовые передачи).

Изнашивание при фреттинге (фреттинг-коррозия) происходит в болтовых и заклепочных соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен и т.п., когда имеют место весьма малые относительные перемещения с амплитудой в несколько сотых и даже тысячных долей миллиметров. Причиной изнашивания является непрерывное разрушение защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта.

Изнашивание при заедании – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Изнашиванию при заедании подвержены поверхности пар скольжения, работающие при высоких скоростях и недостаточной смазке, например шейка коленчатого вала – вкладыш подшипника.

Процесс изнашивания деталей характеризуется скоростью и интенсивностью изнашивания, относительной износостойкостью материала и величиной линейного износа.

Скорость изнашивания определяется отношением величины износа ко времени, в течение которого он возник.

Интенсивность изнашивания определяется отношением величины износа к объему выполненной работы или к пройденному пути. Например, интенсивность изнашивания гильз цилиндров от 2 до 7 мкм, а шеек коленчатого вала – от 0,5 до 2,0 мкм на 1000 км пробега автомобиля.

Износостойкость оценивается величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания, или чаще – относительной износостойкостью, определяемой отношением износостойкости испытуемого материала к износостойкости материала, принятого за эталон при испытании их в одинаковых условиях.

Линейный износ определяет изменение размера детали в результате изнашивания в направлении, перпендикулярном поверхности трения.

При постоянных условиях трения характер нарастания износа в деталях сопряжения в зависимости от пути трения (наработки) характеризуется кривыми износа (Рис. 1.6).

Первый участок кривых (I) характеризует процесс приработки сопряжения, при котором происходит интенсивное изнашивание, изменяется микрометрия и устанавливается равновесная шероховатость поверхности, характерная для заданных условий трения, которая в дальнейшем не изменяется и непрерывно воспроизводится.

Рис. 1.6. Изменение зазора в сопряжении двух деталей в процессе изнашивания

S_min – сборочный зазор, S_нач – начальный зазор, S_mах – максимально допустимый зазор, I – период приработки, II – период нормальной работы, III – период форсированного изнашивания

Второй участок (II) – период установившегося износа, в течение которого интенсивность изнашивания минимальная для заданных условий трения, а третий (III) – период форсированного износа, результатом которого может быть разрушение деталей сопряжения.

Наклон кривых (α ₁- α ₂) характеризует интенсивность изнашивания сопряжения, которая зависит от конструктивно-технологических параметров деталей и условий трения – скорости перемещения, нагрузки, вида и условий смазки.

Используя второй участок кривых можно ориентировочно определить средний ресурс П_ср сопряжения

, (1.9)

Крайние значения зазоров, в пределах которых происходит нормальная работа сопряжения, можно определить с помощью зависимостей, выведенных на основании гидродинамической теории смазки

, (1.10)

, (1.11)

где d – диаметр вала, мм;

n – частота вращения вала, с^-1;

η – динамическая вязкость масла при 100°С, Па·с;

к – удельное давление шейки вала на подшипник, Па;

с – коэффициент формы подшипника.

, (1.12)

δ – суммарная высота неровностей приработанных поверхностей вала и подшипника, мм;

l – длина подшипника, мм.

В реальных условиях эксплуатации интенсивность изнашивания сопряжений машин подчиняется более сложным законам.

Обеспечение долговечности сопряжения достигается оптимизацией шероховатости и твердости поверхностей деталей. При определенных условиях между твердостью и интенсивностью изнашивания имеется закономерная взаимосвязь. При повышении твердости интенсивность изнашивания сначала снижается, а затем один вид износа перерастает в другой, а интенсивность изнашивания начинает увеличиваться. Так, например, хромовые покрытия имеют максимальную износостойкость при микротвердости 8-9,5 ГПа (800-950 кгс/мм²), а остальные – 5,5-6,5 ГПа (550-50 кгс/мм²).