Виды изнашивания деталей

При эксплуатации машины интенсивность изнашивания деталей не является постоянной. В начальный период работы наблюдается довольно быстрый износ деталей. Продолжительность этого периода обусловливается качеством поверхностей и режимом работы механизма.

При правильном выборе соотношения твердостей деталей и режимов приработки довольно быстро устанавливается определенная шероховатость поверхностей. При такой шероховатости наступает период так называемого нормального или установившегося изнашивания. Этот период характеризуется небольшой, примерно постоянной по величине интенсивностью изнашивания и продолжается до тех пор, пока изменения размеров или формы деталей не повлияют на условия их работы. Накопление изменений геометрических размеров и физико-механических свойств деталей ведет к ухудшению условий работы сопряжения.

Основным фактором при этом является повышение динамических нагрузок вследствие увеличения зазоров в трущихся парах. В результате наступает период прогрессивного или аварийного изнашивания. Повышение интенсивности изнашивания пары трения наблюдается также после разборки узла из-за нарушения условий контактирования и повторной приработки.

В настоящее время существуют несколько гипотез о характере явления изнашивания. Это объясняется тем, что изнашивание является функцией множества трудно поддающихся учету переменных.

В зависимости от характера преобладающих факторов различают механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое изнашивание.

К механическому изнашиванию относят абразивное и усталостное (питтинг).

Согласно теории усталостного изнашивания И.В. Крагельского частицы износа с поверхности трения могут отделяться и без внедрения шероховатостей одной детали в поверхностные слои другой детали сопряжения. Изнашивание может происходить вследствие усталости материала, возникающей под действием многократных сжимающих и растягивающих напряжений, не превышающих критических значений. В результате циклического воздействия нагрузки на поверхности детали возникают усталостные трещины, которые, постепенно смыкаясь, приводят к образованию частиц износа. Это явление получило название фрикционно-контактной усталости.

Молекулярно-механическое изнашивание возникает в результате одновременного механического воздействия на трущиеся поверхности деталей и молекулярных или атомарных сил. Этот вид изнашивания характеризуется нарушением поверхностных пленок и образованием металлических связей между трущимися поверхностями с повреждением и последующим разрушением последних.

Коррозионно-механическое изнашивание характеризуется процессом трения материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. При этом на поверхностях металла образуются новые, менее прочные химические соединения, которые в процессе работы сопряжения удаляются с продуктами износа. Это изнашивание встречается в деталях гидропривода, двигателях внутреннего сгорания и др.

По характеру разрушения поверхностей при работе сопряжений различают такие виды изнашивания: истирание, абразивное изнашивание, заедание, питтинг и др.

Истирание поверхностей происходит при механическом взаимодействии деталей в условиях трения без смазки или граничного трения. Шероховатости, образовавшиеся при обработке поверхностей деталей, при относительном их перемещении зацепляются друг за друга. Выступы срываются, и образуются продукты износа. Происходит постепенное сглаживание поверхностей. В зависимости от температуры трущихся поверхностей, физических свойств материалов и давления процесс сглаживания происходит более или менее интенсивно. Выступы, обладающие небольшой прочностью, легко деформируются и срываются, образуя на месте срыва впадину. Этот процесс приводит к интенсивному изнашиванию деталей. При взаимодействии поверхностей, обладающих большой прочностью, происходят упругое деформирование и скол вершин выступов.

В зависимости от свойств материалов и режима работы деталей в результате истирания формируется оптимальная шероховатость трущихся поверхностей, которая в процессе дальнейшей работы остается постоянной. Возникновение такой шероховатости характеризует окончание приработки и начало периода нормальной работы деталей.

Формирование оптимальной шероховатости обусловлено влиянием двух факторов: фактической площадью контакта поверхностей и количеством смазочного материала. Для грубообработанных поверхностей при заданном режиме работы сопряжения (нагрузке и относительной скорости движения) давления в точках контакта достигают очень больших значений. Поэтому, несмотря на большое количество достаточно вязкого смазочного материала, происходит срыв вершин неровностей из-за выдавливания смазки с поверхностей трения. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока площадь контакта не увеличится, а давление уменьшится настолько, что будет обеспечиваться устойчивая масляная пленка на площадках трения.

Большое влияние на износ деталей в период приработки и, следовательно, на долговечность машины оказывает режим ее обкатки. Большие нагрузки на поверхности деталей в период обкатки приводят к вырывам гребешков, образованию новых впадин и интенсивному износу поверхности. При очень малых нагрузках процесс приработки протекает медленно, что снижает эффективность использования машины. Следовательно, существует оптимальный режим приработки, при котором износ поверхностей и время приработки будут минимальными, а ресурс изделия – максимальным. Этот вид изнашивания встречается в подшипниках скольжения, деталях муфт сцепления и тормозов, в сопряжениях вал – втулка и др.

В ПТС и ДМ широко распространено абразивное изнашивание. Решающее влияние на интенсивность процесса изнашивания оказывают размеры и твердость абразивных частиц, попадающих на поверхность трения. Эти частицы, обладая большей, чем металл, твердостью, разрушают поверхность деталей и резко увеличивают их износ. Так, например, при работе шарниров гусеничной цепи в условиях трения без смазки интенсивность изнашивания поверхностей при отсутствии абразива в несколько раз меньше, чем при поступлении абразива в зону трения.

При граничном и жидкостном трениях попадание абразива в зону трения приводит к нарушению защитного слоя смазки и повреждению поверхностей деталей. Это изнашивание встречается в деталях шкворневых соединений, открытых подшипниках скольжения, деталях рабочих органов дорожных машин, деталях ходовых частей и др.

Абразивное изнашивание имеет место во многих типовых узлах трения – в тормозных парах, элементах грейферов, ковшах, канатах и блоках, шарнирах тяговых цепей и зубьях звездочек, скребках, подшипниках и других элементах скребковых, винтовых, пластинчатых конвейеров, лент конвейеров в местах загрузки. Гидроабразивное изнашивание имеет место в оборудовании гидротранспорта полезных ископаемых (пульпопроводах), а газоабразивное – в установках пневмотранспорта (трубопроводах). Наиболее интенсивно изнашиваются зоны, где изменяется направление движения струи жидкости или воздуха, т. е. колена.

Одним из наиболее опасных и разрушительных видов изнашивания является заедание, которое возникает вследствие схватывания поверхностей при трении. В этом случае происходит прочное соединение контактирующих участков поверхностей. Относительное перемещение поверхностей приводит к вырыву частиц металла одной поверхности и наволакиванию их на другую, более твердую поверхность.

Процесс образования металлических связей зависит от свойств сопряженных поверхностей: их природы, твердости и методов обработки. При наличии окисных пленок на поверхности металлов процесс заедания зависит также и от свойств этих пленок. Защитные пленки, прочно соединяющиеся с основным металлом и способные быстро восстанавливаться при их разрушении, препятствуют схватыванию металлов.

Заедание металлов происходит при трении без смазки или при полусухом трении скольжения. Интенсивность процесса зависит не только от свойств сопряженных поверхностей, но и от режимов работы: скорости относительного перемещения, нагрузки, температурных условий и т. п.

Заедание поверхностей характеризует аварийное их состояние и в процессе эксплуатации машин должно быть по-возможности исключено. Большое значение для этого имеет правильный выбор смазочного материала.

При работе деталей в сплошном потоке масла заедание происходит при меньших нагрузках, чем при работе в диспергированном (вспененном) состоянии. Это объясняется интенсивным восстановлением окисных пленок под воздействием кислорода воздуха, поступающего к трущимся поверхностям деталей вместе со смазочным материалом.

Заедание наблюдается в подшипниках скольжения, шарнирных соединениях, ребордах крановых колес, элементах опорно-поворотных устройств кранов, канатных барабанах, блоках, открытых зубчатых передачах, канатоведущих шкивах и канатах, зацеплениях цепей со звездочками, шарнирах и боковых поверхностях пластин тяговых цепей, желобах скребковых конвейеров, направляющих. Для всех этих узлов трения характерна высокая интенсивность изнашивания.

Усталостное изнашивание. Причиной возникновения этого вида изнашивания являются усталостные явления в поверхностных слоях металла, вследствие чего образуются трещины, а затем и выкрашиваются поверхности (питтинг).

Усталостное изнашивание наблюдается в условиях высоких контактных нагрузок при одновременном качении и проскальзывании поверхностей одной по другой в присутствии смазочных материалов. В таких условиях работают, например, зубчатые колеса, тяжелонагруженные шестерни и подшипники качения, зубчатые венцы.

Процесс прогрессирующего усталостного изнашивания протекает следующим образом. Сначала на трущейся поверхности образуются усталостные трещины. Смазочный материал, попадая в трещины, способствует их расклиниванию и выкрашиванию частиц металла, в результате чего на поверхности детали появляются мелкие оспины (питтинг). Число этих оспин и одновременно их размеры увеличиваются до тех пор, пока повышающиеся контактные напряжения на рабочих поверхностях не приведут к пластической деформации и интенсивному износу детали.

Способность детали сопротивляться этому виду изнашивания можно оценивать временем работы в заданных условиях отрыва частиц металла (образования углублений на поверхности) или максимальным контактным напряжением, при котором не наступает питтинг при заданном числе циклов нагружения.

Наибольшее влияние на развитие усталостного изнашивания оказывают условия трения (нагрузка и температура), свойства материалов (твердость и шероховатость поверхности) и применяемые смазочные материалы.

Сопротивление материалов питтингу пропорционально твердости рабочей поверхности, нагрузке на детали и вязкости смазочного материала.

При интенсивном истирании рабочих поверхностей их изнашивание происходит быстрее, чем образование усталостных трещин. Поэтому, как правило, а таких случаях питтинг не наблюдается.

Усталостное выкрашивание характерно для узлов трения, защищенных от попадания абразивных частиц и не подверженных коррозии или схватыванию.

В узлах трения, работающих при высоких температурах (вкладыши подшипников двигателей внутреннего сгорания) или в коррозионных средах (конвейеры гальванических цехов, конвейеры-кормораздатчики) имеет место окислительное изнашивание. При взаимодействии трущихся пар с химической средой образуется окисная пленка. Этот процесс идет интенсивно при остановке машины, а при работе пленка удаляется, выполняя защитную функцию. подобно смазочному материалу, благодаря чему процесс изнашивания идет с меньшей интенсивностью, чем при работе тех же узлов трения без смазывания и вне коррозионной среды.

Изнашивание при фреттинг-коррозии идет в таких сопряжениях, как шлицевые и шпоночные соединения, гнезда подшипников качения и др. Оно связано с малыми колебательными перемещениями, при которых происходит периодическое разрушение окисных пленок без их последующего удаления из зоны трения, что способствует увеличению износа, вследствие чего на сопряженных поверхностях образуются кратеры с выкрошенным металлом.

Для каждого узла трения в конкретных условиях эксплуатации устанавливается свой главный, ведущий вид изнашивания. При этом могут иметь место и другие сопутствующие виды изнашивания, но их влияние на конечный результат не является решающим (при движении крана без перекоса имеет место усталостное изнашивание слабой интенсивности, при перекосе ведущим видом изнашивания становится заедание на ребордах колес).

На основе многочисленных исследований установлено, что вид изнашивания и его количественные характеристики определяются:

– факторами, обусловленными внешними механическими воздействиями на поверхности трения;

– факторами внешней среды;

– факторами, связанными со свойствами поверхностных слоев трущихся деталей.

Основные факторы внешних механических воздействий: вид трения, значения и характер давления (нагрузки) при трении; скорость относительного перемещения трущихся поверхностей.

Универсальные методы повышения износостойкости:

– обеспечение благоприятных условий трения и изнашивания;

– повышение качества поверхностей трения;

– упрочнение поверхностных слоев материалов деталей;

– оптимизация характера внешних воздействий.