Износостойкость деталей и сборочных ЕДИНИЦ ПТМ

При работе ПТМ помимо разрушений происходит постоянное изменение геометрических размеров и свойств рабочих поверхностей деталей, вследствие чего увеличиваются зазоры в подвижных и уменьшаются натяги в неподвижных соединениях, нарушается взаимное положение деталей, ухудшаются условия зацепления зубчатых колес редукторов и т. д. Одна из основных причин этих нежелательных явлений — процесс изнашивания.

При эксплуатации машины подвергаются различным внешним воздействиям, под влиянием которых их надежность снижается из-за разрушений и появления износа, в результате чего машина не может обеспечить требуемые технические параметры и характеристики, а в худшем случае не может использоваться по назначению.

Изнашивание — процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации (ГОСТ 23.002— 78).

Износ — результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала.

Для характеристики изнашивания используют следующие показатели; линейный износ, скорость изнашивания, интенсивность изнашивания, износостойкость, относительную износостойкость.

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

Скорость изнашивания — отношение величины износа к времени изнашивания. В практике скорость изнашивания является основным показателем процесса изнашивания и оценивается скоростью изменения размеров и массы в единицу времени: мкм/ч и мг/ч. По скорости изнашивания можно судить о долговечности детали.

Интенсивность изнашивания — отношение износа к пути трения, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы, например, к наработке машины в тоннах добытого угля или руды (мг/т, мм/т), километрах пройденных выработок (мг/км, мм/км).

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию при определенных условиях трения. Износостойкость оценивается величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания (ч/мкм, ч/мг, т/мм, км/мг).

Относительная износостойкость — отношение износостойкости данного материала и материала, принятого за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях.

Встречающийся в машинах износ можно разделить на две основные группы: моральный износ, связанный с устарелостью конструкций данной машины, и физический износ. Последний в свою очередь подразделяется на два вида: естественный (нормальный) и преждевременный (аварийный).

Естественный износ имеет закономерный характер и происходит в результате трения сопряженных поверхностей деталей, тепловых и химических воздействий среды и изменения физико-механических свойств в результате старения машины.

Аварийный износ является результатом ненормального режима эксплуатации и нарушения правил технического ухода и ремонта.

Изнашивание зависит от ряда факторов, в частности от условий трения. Процессы внешнего трения и изнашивания существенно влияют на надежность ПТМ. С потерями трение связано значительное ухудшение энергетических характеристик скребковых и винтовых конвейеров, пневмотранспортных установок и др., а преждевременное изнашивание небольшого числа деталей вызывает необходимость ремонта, стоимость которого иногда в десятки и сотни раз превышает стоимость деталей.

При эксплуатации ПТМ явления изнашивания деталей более часты, чем поломки. В немалой степени это связано с тем, что ответственные детали машин обязательно рассчитывают на прочность, тогда как практически ни одно подвижное сопряжение не проверяют на износостойкость. Кроме того, при проектировании и эксплуатации машин часто не используют эффективные средства снижения их износа. С этим связаны огромные материальные затраты на ремонт машин и убытки от их простоев. Во многих отраслях промышленности, в том числе в машиностроении, каждый пятый рабочий — ремонтник, нужды ремонта обслуживает большой парк технологического оборудования.

Виды и характеристики внешнего трения (рис. 21, ГОСТ 27674—88). По наличию и характеру движения различают трение покоя и трение движения.

 

 

Рис. 21. Виды трения в машинах:.

а — по величию и характеру относительного движения; б — по наличию смазочного материала

 

Трением покоя называют трение двух тел при предварительном их смещении, т. е. при малом относительном перемещении до перехода от покоя к скольжению.

Сила трения покоя, соответствующая началу относительного движения, превышает по значению силу трения движения. С этим и связаны повышенные потери на трение в период пуска машин. При расчетах ПТМ это учитывают выбором при пуске более высоких значений коэффициентов сопротивления, чем при установившемся движении.

Трение движения бывает трех видов: трение скольжения, трение качения и трение качения с проскальзыванием. При трении скольжения скорости соприкасающихся тел в точках касания различны по значению и направлению или только по значению или направлению; при трении качения скорости одинаковы по значению и направлению; при трении качения с проскальзыванием движение происходит одновременно с качением и скольжением.

В зависимости от наличия смазки между трущимися телами различают трение сухое, граничное.и жидкостное.

Сухое трение — трение двух твердых тел при отсутствии на поверхностях трения смазочного 'материала. Сухое трение вызывает самое большое изнашивание и максимальные потери энергии на трение. Коэффициент сухого трения для применяемых в машиностроении металлических пар составляет 0,15—0,45.

Сухое трение имеет место в различных тормозах и фрикционах, в сопряжениях деталей разборных цепей и гусеничных лент и др.

Граничное трение — трение, при котором трущиеся поверхности разделены очень тонким слоем смазки (порядка 0,1 мкм), обладающим свойства-ми, отличными от объемных свойств жидкостей. Пленка смазки имеет прочное сцепление с поверхностями трения. Коэффициент граничного трения в 6—8 раз меньше, чем при сухом трении. Интенсивность износа при граничном трении по сравнению с сухим также существенно снижается.

При работе горных машин граничное трение имеет место в зацеплении зубчатых колес, в зоне контакта тел качения подшипников с беговыми дорожками колец, т. е. в условиях высоких удельных нагрузок.

Жидкостное трение — трение, при котором трущиеся поверхности разделены слоем смазочной жидкости, в которой проявляются объемные свойства.

Режим жидкостного трения достигается постоянной и принудительной подачей смазочной жидкости в зазор между трущимися поверхностями, что лучше всего осуществляется наклоном одной движущейся поверхности относительно другой.

Например ползун, у которого края подошвы скошены, при определенных величинах клиновидности зазора между подошвой и направляющей, вязкости масла и скорости движения «всплывает» на масляном слое. В подшипниках скольжения клиновидность масляного слоя обеспечивается зазором между цапфой вала и вкладышем подшипника. Вращаясь, цапфа увлекает с собой концентрические слои масла и при определенных оборотах полностью отделяется от вкладыша слоем смазки.

При жидкостном трении наблюдается лишь незначительное взаимодействие сопряженных поверхностей и наименьшее их изнашивание. Коэффициент жидкостного трения равен 0,003—0,01.

Основными характеристиками внешнего трения являются коэффициент трения и скорость скольжения — разность скоростей тел в точках их касания.

Наибольшее распространение в ПТМ имеет самый благоприятный вид трения — трение качения, которому соответствуют наименьшая сила трения и минимальный износ.

Однако вид трения, обусловленный конструкцией механизма, реализуется не всегда, причем один вид трения может переходить в другой, более или менее благоприятный. Так, при движении крана с перекосом чистое трение качения колеса по рельсу переходит в трение качения с проскальзыванием в паре обод — беговая дорожка рельса, а реборды колеса трутся о боковую поверхность головки рельса, т. е. возникает неблагоприятное трение скольжения. Аналогичное явление имеет место при боковом смещении полотна эскалаторов, пластинчатых и других видов конвейеров. Появляющиеся при этом дополнительные силы трения скольжения увеличивают сопротивление движению; существенно возрастает и износ.

При загрязнении подшипников качения чистое трение качения их промежуточных тел (шариков, роликов) переходит в трение скольжения по поверхности одного из колец или в трение скольжения подшипника о поверхность гнезда, при этом подшипник быстро теряет работоспособность. Аналогичные последствия вызывает попадание посторонних частиц на поверхность качения приводных колес (катков, роликов, бегунков) или стопорение их по другой причине. На цилиндрической поверхности качения при этом образуется лыска, после чего качение неприводного колеса становится невозможным даже после устранения причины, вызвавшей стопорение.

В связи с переходом одного вида трения в другие (вместо предусмотренного конструкцией одного — благоприятного вида трения, например трения качения) могут существовать одновременно все виды трения, что, в частности, имеет место в рассмотренном случае с крановыми колесами.

 

При жидкостном (идеальном) трении со смазочным материалом непосредственный контакт между трущимися поверхностями исключен. Смазочный материал образует между ними промежуточный слой, при котором процесс трения двух твердых тел заменяется процессом внутреннего трения в смазочном веществе. Существование такого вида трения, возникающего при так называемой гидродинамической смазке, возможно при идеальных условиях: малые удельные нагрузки, большие скорости перемещения, непрерывный подвод смазочного материала. Обеспечение их в реальных машинах связано с большими трудностями и поэтому между смазываемыми деталями чаще всего имеет место так называемая граничная смазка, основные характеристики которой определяются наличием на поверхности трения тонкой масляной пленки. Устойчивость таких пленок смазочного материала при трении зависит от свойства, называемого маслянистостью.

Граничные пленки обладают особой способностью расклинивающего действия; в них развивается давление, не только препятствующее сближению смазанных поверхностей, но и стремящееся их раздвинуть. Это давление растет с уменьшением зазора. Расклинивающее действие увеличивается также со скоростью скольжения, т. е. имеет не только статический, но и динамический характер. Молекулы смазочных веществ в граничных пленках обеспечивают большую прочность на сжатие и легкость сдвигов в тангенциальном направлении. Этим и объясняются небольшие коэффициенты трения при скольжении смазываемых поверхностей. Тонкие смазочные слои не только снижают силу трения, но и существенно влияют на износ. Это влияние, как правило, положительное вследствие эффекта расклинивающего действия, но может быть и отрицательным из-за проникновения смазочного материала в микро- и ультрамикрощели между кристаллами металла. Однако при повышении качества смазочного материала специальными присадками всегда удается обеспечить преобладание положительного эффекта и достичь уменьшения износа.

Трение без смазочного материала характеризуется отсутствием каких-либо введенных смазочных материалов. Это, однако, не означает, что при нем всегда имеет место контакт ювенильных (свободных от загрязнения, чистых) поверхностей трущихся тел. Независимо от смазывания трение в машинах происходит в присутствии газовой среды (атмосферы), а в ряде случаев — в присутствии различных твердых сред. Согласно современным представлениям о трении и изнашивании внешняя среда (газовая, твердая) подобно смазочному материалу оказывает огромнейшее влияние на трение и изнашивание металлов.

Во многих узлах трения ПТМ (подшипниках качения и скольжения, зубчатых и цепных передачах, шарнирных соединениях, опорно-поворотных устройствах, канатах и блоках, тяговых цепях и др.) смазыванием стремятся обеспечить граничную смазку. Но наряду с узлами трения, смазывание которых практически осуществимо и полезно, в ПТМ встречаются и такие элементы, смазывание которых не дает положительного эффекта или приносит вред. Например, смазывание тяговых цепей конвейеров с погруженными скребками неэффективно, так как смазочный материал уносится частицами транспортируемого груза. При транспортировании сильно абразивных грузов смазочный материал способствует удержанию абразивных частиц в шарнире и увеличению износа, а при транспортировании мучнистых продуктов образуется паста, которая затвердевает и уменьшает подвижность в шарнирах. В тормозных парах смазочный материал снижает коэффициент трения, а в узлах трения типа колесо—рельс ухудшает сцепление, вызывает буксование, движение юзом с образованием лысок на поверхностях качения, ухудшает условия вращения неприводных колес (катков, роликов, бегунков).