Входные и выходные параметры и внутренние факторы,

Определяющие износ

По характеру проявления и действия трение и износ представля­ют собой параметры, которые легко обнаружить и измерить. На первый взгляд, они представляют собой механический процесс. Однако более глубокое изучение процессов трения и износа показало, что в их осно­ве лежат также и сложные физико-химические процессы, обусловлен­ные молекулярными взаимодействиями.

И если износ реализуется лишь только при непосредственном взаимодействии трущихся тел, то силы трения реализуются как при не­посредственном их контактировании, так и в случае, когда трущиеся тела разделены третьим жидким или газообразным телом.

Таблица 6.3

Блок-схема процессов и параметров трения и износа

Во всех случаях износ и его производные зависят от:

1) силовых и кинематических параметров и, в первую очередь,

от давления на поверхности трения Р_а и скорости относительного

скольжения \/_ск\

2) параметров, характеризующих состав, структуру и механиче­ские свойства материалов пары трения (твердость, предел текуче­сти, модуль упругости и др.);

3) свойств поверхностного слоя, его шероховатости, состава, жесткости, напряженного состояния и т д;

4) вида трения и свойств смазки;

5) внешних условий, влияющих на процесс изнашивания (темпе­ратуры, наложения вибраций, влажности и др.);

6) конструктивных особенностей фрикционного узла.

Все эти параметры могут меняться во времени, т.е. в процессе ра­боты узла трения. Поэтому точная констатация этих параметров пред­ставляет собой исключительно сложную задачу, решение которой в на­стоящее время находится еще в стадии становления. В связи с этим И.В. Крагельскии предложил рассматривать фрикционный процесс как систему входных параметров, которыми мы можем задаваться; внут­ренних факторов, проявляющихся при непосредственном взаимодейст-

вии трущихся тел, что весьма сложно контролировать во время реали­зации фрикционного процесса, и выходных параметров, фиксируемых в результате происшедшего фрикционного контакта (табл. 6.3).

При кажущейся общности между процессами трения и износа каж­дое из этих явлений имеет свою специфическую природу. Более слож­ную природу взаимодействия проявляет механизм изнашивания твердых тел. С этим бывает связан и тот факт, что изменения уровня трения не всегда приводят к аналогичным изменениям результатов изнашивания.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое изнашивание и износ, и каковы способы их обозна­чения?

2. Какие существуют классы износостойкости?

3. В чем сущность входных, внутренних и выходных парамет­ров фрикционного процесса?

4. Какие факторы оказывают влияние на механизмы и резуль­таты изнашивания?

Глава 7. МЕХАНИЗМЫ И ОСОБЕННОСТИ ВИДОВ ИЗНАШИВАНИЯ

Фрикционный контакт узла трения любой машины имеет неодно­родность распределения сжимающих и растягивающих усилий, разные скорости относительного скольжения и контакт с окружающей средой (газами, дымами, парами, смазочными материалами и т.п.). Под дейст­вием сил выделяется тепло, образуются области с высокими градиен­тами температур и напряжений, материал деформируется, осуществ­ляется движение дефектов и дислокаций, создаются благоприятные условия для протекания физических и химических процессов (электри­зация, диффузные, окислительные, восстановительные и сорбционные процессы), а также связанных с ними явлений. В реальном фрикцион­ном контакте, как правило, одновременно протекают все эти процессы. Однако среди них для конкретных условий можно выделить наиболее характерный процесс, а в связи с этим охарактеризовать характерный для него механизм разрушения и вид изнашивания (рис. 7.1).

Принято различать следующие механизмы разрушения:

1) механический, в основе которого рассматривается действие только механических сил;

2) молекулярно-механический, в основе которого действуют силы физической природы;

3) коррозионно-механический, в основе которого действуют силы химической и электрохимической природы.

Каждому из этих механизмов соответствуют и характерные для них виды изнашивания. Поэтому в зависимости от механизмов разру­шения различают износ деталей машин на виды изнашивания.

Механические виды изнашивания

Абразивное изнашивание реализуется в условиях, когда в зону трения тел попадают (или образуются там) твердые частицы. Они могут разрушать как более мягкое тело, а также шаржируясь в нем, осуществлять разрушение и другого более твердого трущегося тела. Для абразивного изнашивания характерным является наличие дис­кретного контакта с очень высокой степенью концентрации напряже­ния в месте контакта частица - трущееся тело.

Принято считать, что когда отношение глубины внедрения /7 час­тицы абразива в трущееся тело к ее радиусу закругления Я бывает меньше выражения

/7 1 — < —

Я 2

^г о ^л

где т- касательное напряжение деформируемого материала; от- пре­дел текучести,

то частица перекатывается по поверхности трения и результатом ее воздействия является пластическое передеформирование поверхно­стного слоя. Такой вид разрушения твердой поверхности осуществля­ется, например, при полировке. В том же случае, когда это равенство не выполняется, частица абразива осуществляет микрорезание труще­гося тела. В реальных условиях частицы абразива, попадающие в зону трения твердых тел, являются полидисперсными, по-разному ориенти­рованными и имеют разное углубление в поверхности трения твердых тел, а поэтому и воздействие абразива на степень изнашивания твер­дых тел представляет собой сложную картину. Характерным при этом является то, что такая комплексная характеристика, как относительная износостойкость материалов (представляющая собой отношение неко­торого эталонного материала к испытуемым), при абразивном изнаши­вании бывает линейно связанной с твердостью материалов (рис. 7.2).

^1 ^1

Рис. 7.1. Виды и механизмы изнашивания твердых тел

78 Е

120 100

80 60

2 4 6 8 Н_М,ГПА

Рис. 7.2. Зависимость относительной износостойкости при трении

об абразивную поверхность от микротвердости технически чистых

металлов и сталей в термически обработанном состоянии

Эрозионное изнашивание - связано с воздействием на твердые тела потоков жидкости или газа, не засоренных абразивом Локаль­ные потоки жидкости и газа бывают способными пластические и дру­гие виды воздействия на твердые тела, а также их разрушение.

Газоабразивное изнашивание - представляет собой комплексное воздействие на твердое тело газовой струи и абразивных частиц. Гидроабразивное изнашивание реализуется при воздействии на твер­дое тело потока жидкости и абразива.

Кавитационное изнашивание - возникает в потоке жидкости, бы­стро движущейся с переменной скоростью, например, при обтекании препятствий, когда возникают разрывы сплошности жидкости с образо­ванием каверн, заполненных паром. Затем каверны захлопываются и, если это происходит у поверхности детали, жидкость с очень большой скоростью ударяется о стенку. При многократном повторении этих про­цессов происходит разрушение поверхности твердых тел. Примерами этого вида изнашивания являются повреждения лопаток гидравлических турбин и насосов, подшипников скольжения, внешней поверхности ци­линдров водяного охлаждения двигателей внутреннего сгорания и др.

Усталостное изнашивание возникает в результате многочис­ленного и упругого оттеснения материала. Этот процесс имеет скрытый латентный период, вследствие которого происходит накопление по­вреждений внутри металла. Поскольку твердые тела, в том числе и ме­таллы, неоднородны, трещины возникают на несовершенствах струк­туры кристалла. При этом бывает некоторый инкубационный период развития субмикроскопических трещин до уровня микротрещин, период развития микротрещин до уровня макротрещин, а затем - период раз­вития макротрещин. И.В. Крагельский предложил оценивать этот вид износа в виде уравнения

/ = к-а- *А.1,

где к - множитель, определяемый геометрической конфигурацией и рас­положением по высоте единичных неровностей на поверхностях (обыч­но близок к 0,2); Р_а - давление на номинальной площади А_а; Р_г - давле­ние на фактической площади А_г; п- глубина внедрения; Я - радиус еди­ничной неровности; п - число циклов, приводящих к разрушению де­формируемого объема; а- коэффициент перекрытия

А_а

(X = ——

V