Распределение износа между трущимися телами по их рабочим поверхностям

Износы в узлах трения распределяются между трущимися дета­лями достаточно неравномерно. При этом одно из трущихся тел мо­жет подвергаться одному виду изнашивания, а другое - другому. Так, при пуске-останове неровности закаленного стального вала подвер-

гают поверхностные слои вкладыша, изготовленного из мягкого анти­фрикционного сплава, абразивному изнашиванию. Сама же поверх­ность вала подвергается намного менее интенсивному усталостному изнашиванию. В то же время, если слой смазочного материала, раз­деляющего поверхность вала и подшипника, разрушается при повы­шении температуры и реализуется металлический контакт этих по­верхностей, то могут иметь место схватывание трущихся тел и изна­шивание адгезионного типа. В том же случае, если в смазочный мате­риал попадает абразив, то он поглощается подшипниковым сплавом, закрепляется в нем и начинает изнашивать шейку вала. Даже при одинаковых материалах износ трущихся тел различен - обычно боль­шая поверхность теряет больше по массе.

Распределение износа по рабочим поверхностям трущихся эле­ментов контактирующих тел также зависит от ряда факторов, из кото­рых наибольшее влияние оказывают схема контакта, условия нагруже-ния, соотношение физико-механических свойств трущихся материалов, режим работы сопряжения и вид изнашивания. Износ детали по по­верхностям трения далеко не всегда бывает равномерным, причем ха­рактеристикой изнашивания на отдельных участках поверхностей тре­ния являются местные износы на этих участках. Для графического изо­бражения распределения значений местного износа по поверхности трения или по определенному ее сечению используют эпюры износа. Так, для сопряжения вал-втулка эпюр износа совпадает по внешнему виду с эпюром распределения нормального давления и температуры. Если вал вращается в неподвижной опоре, то его износ будет равно­мерно распределен по его поперечному сечению, а на втулке будет образовываться местная выработка, смещенная от вертикальной оси в направлении вращения вала (это явление наблюдал еще Леонардо да Винчи). Если вал неподвижен, а втулка вращается, то равномерно бу­дет изнашиваться рабочая поверхность втулки, а односторонний износ (выработка) будет наблюдаться уже на валу.

Рабочие поверхности зубьев шестерен подвержены главным об­разом усталостному изнашиванию, что выражается в образовании ос-повидных раковин на ножках зубьев в зоне полюса зацепления, т.е. здесь в основном имеет место трение качения. В дальнейшем наблю­дается развитие усталостных микротрещин и выкрашивание частиц ме-

талла, причем наиболее интенсивно это происходит на отстающей по­верхности в зоне нижней части зуба. В то же время на участках зуба, где имеет место проскальзывание, могут развиваться интенсивное натира­ние и заедание. Направление следов заедания совпадает с направле­нием скольжения профилей зубьев. Какой из этих видов изнашивания является ведущим, зависит от конкретных условий работы зацепления.

Рабочие поверхности цилиндрических втулок также подвержены неравномерному износу. При изнашивании коррозионно-механического типа максимальные износы наблюдаются в верхней части - напротив компрессионных колец при положении поршня в верхней точке, так как в этой зоне давление поршневых колец на стенку втулки достигает наибольшей величины и наблюдаются максимальные температуры. Если же изнашивание имеет абразивный характер, то гильза, согласно В. Винкенсу, больше изнашивается в средней части.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какова зависимость изнашивания по В.Ф.Лоренцу?

2. Каково распределение износа по трущимся телам фрикци­онной пары?

3. Каковы особенности первой стадии изнашивания?

4. Каковы особенности второй стадии изнашивания?

5. Каковы особенности третьей стадии изнашивания?

6. Какие существуют возможные пути управления износом?

Глава 9. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИЗНАШИВАНИЯ

К настоящему времени разработан ряд методов расчетов на из­нашивание. За рубежом широко используется закон Арчарда, согласно которому для абразивного и адгезионного изнашивания объемный из­нос V трущихся тел пропорционален пути трения 5 и площади факти­ческого контакта этих тел А_г

V = К_И.А_^•3, что для пластического контакта принимает вид

^у-к • ^р ~к ^р

где К_и - коэффициент износа; <у_т - предел текучести; И - твердость по Бринеллю более мягкого элемента пары трения.

Коэффициент износа К_и представляет собой безразмерную ве­личину, характеризующую вероятность отделения частиц износа при трении. Значения коэффициента износа различных материалов при трении их по закаленной стали (кроме особо оговоренных случаев) приведены в табл. 9.1 для условий сухого трения.

Таблица 9.1 Коэффициенты износа по Арчарду

Для абразивного изнашивания К_и зависит от формы изнашиваю­щихся элементов. Так, для острого напильника К_и = 0,1; новой абра­зивной бумаги - 0,01; округленных абразивных частиц - 0,001.

Влияние смазочного материала на величину К_и приведено в табл. 9.2.

Таблица 9.2 Коэффициент износа для различных условий смазки

Уравнение Арчарда является весьма неточным, оно не учитывает влияния на износ твердых тел их температуры, скорости скольжения и геометрии контакта, а также микрогеометрии контактирующих тел и на­личия критических точек на зависимостях интенсивности изнашивания от факторов нагружения.

Методика расчетов на изнашивание, разработанная И.В. Крагель-ским и его школой, рассматривает понятие удельного износа /', т.е. съема материала объемом А\/, на единицу фактической площади контакта Аг на пути скольжения, равном среднему диаметру пятна контакта с1, т.е.

АУ АН

п ~~ ~~ '

с1А_г с!

где АЬ - толщина изношенного слоя материала.

Для расчета интенсивности изнашивания /_Л может быть исполь­зовано уравнение

I -\ ^Р*

Ъ ~ Ь ' " ' '

"г

где Р_а - номинальное контактное давление; Р_г - фактическое контакт­ное давление; а - отношение номинальной площади контакта к пло­щади трения.

Это уравнение справедливо для описания процесса изнашива­ния при любом его механизме. Так, применительно к стационарному процессу усталостного изнашивания оно имеет вид

где произведение безразмерной глубины зоны деформирования Ь/Н и безразмерной площади контакта А^А_Г представляет собой безразмер­ный объем деформируемого материала, коэффициент к обусловлен расположением неровностей поверхностей по высоте, а 1/п = 10"²...10"¹⁰ характеризует склонность материала к разрушению при многократном деформировании (т.е. определяет сопротивление усталости).

Эти величины определяют, исходя из значений предела прочно­сти материала при растяжении <т_в и действующего напряжения <т_пр, по эмпирическим формулам вида

Л,

^г г, Уу

п =

где 1_У- параметр кривой фрикционной усталости.

Определение других параметров, входящих в уравнение для рас­чета интенсивности усталостного изнашивания, рассмотрено в преды­дущих разделах.