Факторы, влияющие на характер и интенсивность изнашивания деталей

Процесс изнашивания поверхностей деталей механизмов весь­ма сложен, так как он зависит от большого количества факторов, по-разному сочетающихся в конкретных условиях эксплуатации машин и оборудования. Для выявления полной совокупности факторов необходимо рассмотреть систему машина-оператор-вне­шняя среда-режим работы-эксплуатационные воздействия. Под машиной в данном случае подразумевается оборудование в целом, сборная единица или сопряжение в зависимости от цели исследо­вания. Рассматриваемую систему можно представить в виде функ­ционального выражения:

(39)

где Э, К, Т — символы, объединяющие группу факторов, соответ­ственно, эксплуатационных, конструктивных, технологических; О – обозначает учет влияния субъективных особенностей оператора.

В результате анализа явления изнашивания элементов обору­дования как системы выделены следующие основные факторы, определяющие их долговечность:

эксплуатационные— характер производимых работ; режимы использования оборудования; виды и периодичность технических управляющих воздействий; климатические условия работы; состо­яние смазочных материалов и рабочих жидкостей; состояние фильтрующих и уплотнительных элементов;

конструктивные— вид трения рабочих поверхностей; характер нагружения; концентрация напряжении; наличие защитных покры­тий; наличие компенсаторов износа; кинематика и динамика рабо­ты механизма; соотношение материалов деталей сопряжения;

технологические— структура поверхностного слоя металла; методы обработки поверхности; наличие остаточных напряже­ний; качество сборки сопряжений; наличие технологических заг­рязнений (стружки, окалины и др.) в картерах и емкостях обору­дования, показатели микрогеометрии поверхностей трения;

субъективные особенности оператора — уровень профессио­нальной подготовки (квалификация); антропометрические и пси­хофизические данные (усилия, прикладываемые к рычагам управ­ления, частота включения механизмов; быстрота реакции, утом­ляемость и др.).

Из эксплуатационных факторов наиболее важными являются характер производимых работ и режимы использования оборудо­вания. От этих факторов зависят температурный, нагрузочный и скоростной режимы работы сопряжений, определяющие условия трения и изнашивания деталей. Управляющие воздействия: регу­лировочные, крепежные и смазочные операции, проводимые в процессе технического обслуживания, позволяют в значительной степени снизить отрицательное влияние агрессивных компонен­тов внешней среды и внутренних процессов, происходящих в эле­ментах сопряжений, на долговечность машины. Поэтому от со­держания и периодичности проведения технического обслужива­ния во многом зависит интенсивность изнашивания деталей ма­шины. Это особенно важно для машин, работающих в сложных климатических условиях: при повышенной влажности или запы­ленности окружающей среды, при низкой или повышенной темпе­ратуре окружающего воздуха.

Условия трения и изнашивания элементов сопряжений машин в значительной степени определяются соответствием смазочных материалов и рабочих жидкостей конструкции сборочных единиц и условиям эксплуатации. Поэтому при проведении технического обслуживания необходимо строго соблюдать рекомендации по применению основных марок смазочных материалов и рабочих жидкостей или их заменителей, оговоренных в инструкции по эк­сплуатации машины. Большое значение имеет также состояние топлив, смазочных материалов и рабочих жидкостей, применяе­мых в соответствующих системах оборудования. При выходе по­казателей состояния за установленные пределы необходимо заме­нить смазочный материал или рабочую жидкость.

Важнейшими конструктивными факторами, определяющими характер и интенсивность изнашивания элементов машин, явля­ются кинематика и дина –мика работы механизма. От кинематики относительного перемещения рабочих поверхностей деталей со­пряжения зависят вид трения и условия изнашивания. Динамика работы механизма обуславливает характер нагружения и формирования полей внутренних напряжений в материалах деталей. Со­отношение материалов деталей сопряжения оказывает решающее влияние на их фрикционное взаимодействие и, таким образом, на долговечность оборудования.

Из технологических факторов основными являются методы обработки поверхностей и качество сборки сопряжений. Метод обработки рабочих поверхностейдеталей определяет структуру материалов и их физико-механические свойства, наличие остаточ­ных напряжений, микрогеометрию поверхностей трения. От каче­ства сборки сопряжений зависит размерная точность механизма, а также количество технологических загрязнений в редукторах, коробках переключения передач, в баках гидросистем. Частицы стружки и окалины, попадая в зоны трения деталей, вызывают абразивное изнашивание поверхностей и значительно сокращают сроки службы сопряжений.

От субъективных особенностей и квалификации оператора существенно зависит интенсивность изнашивания элементов ма­шин и техническое состояние оборудования. Своевременное и качественное проведение мероприятий ежесменного обслужива­ния машины квалифицированным оператором является необхо­димым условием наиболее полной реализации уровня надежнос­ти, заложенного в конструкцию машины при ее проектировании и производстве.

Каждый из перечисленных выше факторов может быть в коли­чественной форме оценен с помощью нескольких показателей. Для того чтобы представить зависимость износа от определяю­щих факторов в аналитической форме, необходимо выражение () переписать в развернутом виде

(40)

где v — скорость относительного перемещения трущихся поверх­ностей; р — давление на поверхность трения; — температура окружающей среды; — запыленность, наличие абразивных частиц; W— влажность среды; — зазор; х, у и z — основные линейные размеры деталей сопряжения; f — коэффициент трения; а — температуропроводность; и — номинальная и фактичес­кая площади контакта рабочих поверхностей; — коэффициент теплопроводности; S — поверхность теплоотдачи; t — температу­ра трущихся поверхностей; С — средняя теплоемкость материалов пары трения; h — толщина окисной пленки; R — высота микроне­ровностей; — угол наклона микронеровностей; НВ — твердость поверхности; m — частота их — продолжительность включения механизма.

Однако при работе механизма изменяются и оказывают реша­ющее влияние на интенсивность изнашивания не все факторы. Для выявления наиболее значимых, определяющих факторов про­водят различные исследования: эксплуатационные, полигонные, лабораторные, экспертные.

Влияние каждого фактора на интенсивность изнашивания в различных условиях неравнозначно. Так, кислород воздуха ока­зывает решающее влияние на интенсивность разрушения поверх­ностей металлических деталей в условиях окислительного изна­шивания, но в условиях трения в абразивной среде к числу значи­мых факторов не относится. Из общей совокупности можно выделить ряд факторов, влияние которых проявляется достаточно ярко при любом виде изнашивания. Рассмотрим основные из них.

Рис.10.Зависимость интенсивности изнашивания манжетных уплотнений от температуры.

Влияние температуры поверхности трения. От температурного режима работы сопряжения зависит интенсивность изнашивания деталей. В процессе работы механизма значительная часть энер­гии расходуется на нагревание поверхностей трения. Процесс теп­лообразования при трении подробно описан в п. 2.4 и обусловлен конструкцией сопряжения (схема фрикционного контакта, усло­вия теплоотдачи, материалы), режимом работы механизма, состо­янием и количеством смазочного материала или рабочей жидко­сти, а также температурой окружающей среды.

Износ и интенсивность изнашивания рабочих поверхностей деталей сопряжений для большинства материалов с возрастанием температуры увеличиваются. Это объясняется тем, что при значи­тельном повышении температуры происходит нарушение пра­вильности строения кристаллической решетки, в результате чего на поверхности металла образуются свободные узлы, способству­ющие схватыванию поверхностей. При одновременном воздей­ствии нагрузки и температуры повышается подвижность атомов и вместе с тем возрастает вероятность схватывания с последующим повреждением поверхности.

Интенсивность изнашивания манжетных уплотнений быстровращающихся валов зависит от температуры (рис.10). Аналогич­ное влияние повышение температуры оказывает и на интенсив­ность изнашивания металлических деталей. Зная зависимости и (здесь — среднее время непрерывной работы) для определенного типа сопряжений, а также режим работы меха­низма, можно рассчитать среднюю интенсивность изнашивания деталей сопряжений и ориентировочную величину ресурса.

Влияние скорости относительного перемещения и нагрузки. В процессе работы сопряжения характер изнашивания деталей определяется сочетанием нагрузки и скорости (рис.11).

Рис.11.Зависимость интенсивности изнашивания от скорости относительного перемещения поверхностей.

В общем виде зависимость износа от этих факторов для сопряжения вал-подшипник описывается выражением:

(41)

где — параметр, характеризующий работу трения; р — нор­мальное давление; v — относительная линейная скорость переме­щения поверхностей; f — коэффициент трения.

Если рассматривать влияние каждого из факторов на износ в от­дельности, то получим, что наиболее сильное влияние оказывает дав­ление. Влияние скорости сказывается в основном через изменение температуры. Коэффициент трения также изменяется при изменении температуры. Таким образом, основными факторами, определяющи­ми характер изнашивания, являются нагрузка и температура.

На основании закона сохранения энергии получена зависи­мость линейного износа:

(42)

где А' — коэффициент, зависящий от физико-механических свойств материала и характера нагружения; — путь трения.

По И.В. Крагельскому, влияние давления на износ описывает­ся в общем виде нелинейной зависимостью:

(43)

где р — параметр микрогеометрии поверхности; — параметр кривой усталости.

Такая зависимость характерна и для металлических деталей, и для пластмасс, и для эластомеров (резины) (рис.12).

Одновременное воздействие нагрузки и температуры может привести к изменению физико-механических свойств поверхност­ных слоев материалов. Это ведет к схватыванию поверхностей и резкому возрастанию интенсивности изнашивания.

Рис.12. Изменения износа манжетных уплотнений быстровращающихся валов от нормальной нагрузки и скорости скольжения (по данным Г.А.Голубева)

При абразивном изнашивании пластмасс и эластомеров (на­пример, натурального каучука) скорость изнашивания vH находит­ся в линейной зависимости от нормальной нагрузки, а при устало­стном изнашивании скорость изнашивания возрастает.

Считается, что скорость скольжения не оказывает существен­ного влияния на изнашивание. Увеличение этой скорости вызы­вает повышение температуры поверхности трения, следствием чего является соответствующее изменение интенсивности изна­шивания.

Экспериментальные исследования с целью выявления зависи­мости при р = const, t = const показали, что влияние ско­рости на износ незначительно. Для чистых металлов (медь, алю­миний, молибден, вольфрам) характерно некоторое снижение ин­тенсивности изнашивания с увеличением скорости относительно­го перемещения поверхностей. Это вызвано уменьшением адгезионной составляющей силы трения. Кроме того, при повышении скорости скольжения возникают микроскопические пятна повы­шенной температуры. При малых скоростях температура этих пя­тен не оказывает влияния на свойства материала детали, так как теплота быстро отводится с поверхности трения. При повышении скорости относительного перемещения условия теплообмена ухудшаются, температура в тонких поверхностных слоях возрас­тает до температуры плавления металла. При очень высоких ско­ростях скольжения на поверхности деталей образуется микроско­пический слой расплавленного металла, и процесс трения прини­мает характер сдвига жидкого слоя относительно твердой основы. В результате этого наблюдается снижение сил трения и интенсив­ности изнашивания. Для тугоплавких металлов (типа вольфрама) этот эффект проявляется меньше, поэтому меньше меняется J при увеличении скорости скольжения v.

В реальных механизмах при увеличении скорости скольжения возрастает температура, поэтому наблюдается увеличение износа. Например, при изменении температуры поверхности трения ман­жетных уплотнений быстровращающихся валов и усталостном характере изнашивания закономерности изменения износа и ин­тенсивности изнашивания от нагрузки и скорости скольжения аналогичны.

Влияние структуры материала и качества поверхности. Одним из важнейших факторов, определяющих способность сопротивле­ния материалов изнашиванию, является их структурное состоя­ние, обеспечиваемое на стадии производства. Оптимальная изно­состойкость материалов обусловлена совокупностью свойств: фи­зико-механических (высокое сопротивление сжатию, изгибу, зна­чительные силы молекулярно-механического сцепления, большие твердость и вязкость при отсутствии хрупкости и др.) физических (большая теплопроводность, небольшие различия температурных коэффициентов расширения фаз и др.); физико-химических (высо­кая насыщенность и равномерность микрораспределения легиру­ющих элементов сплавов, устойчивость против коррозии, хими­ческая стабильность и др.).

Для обеспечения необходимой структуры материала детали проводят химико-термическую обработку, которую применяют:

- для увеличения твердости рабочих поверхностей деталей (цементация, азотирование, нитроцементация, борирование и др.) и сопротивления абразивному и эрозионному изнашиванию;

- для улучшения противозадирных свойств путем насыщения поверхностных слоев металла химическими соединениями, пре­дотвращающими схватывание при трении (сульфидирование, селенирование, теллурирование и др.).

Одним из важнейших показателей физико-механических свойств материалов деталей является твердость. Установлено, что с увеличением твердости рабочих поверхностей металличес­ких деталей их износостойкость повышается. Однако при упрочнении материала необходимо обеспечить выполнение правила положительного градиента механических свойств по нормали к поверхности, чтобы не допустить повреждения при схватывании и увеличить долговечность детали в условиях уста­лостного изнашивания.

Шероховатость рабочих поверхностей деталей, обеспечива­емая при их механической обработке, влияет на продолжитель­ность приработки сопряжения, обуславливает характер взаимодействия поверхностей при трении, а также вид и интенсив­ность изнашивания. Износ зависит не только от окончатель­ной, но и от предварительной обработки рабочих поверхностей деталей. В зависимости от нагрузочного и скоростного режи­мов обработки детали изменяется структура материала поверх­ностного слоя, возникают остаточные напряжения, ускоряю­щие процесс разупрочнения и усталостного разрушения повер­хности. Высота микронеровностей поверхности оказывает сложное влияние на интенсивность изнашивания (рис.13). При очень малых значениях Rz создаются благоприятные усло­вия для схватывания и интенсивного молекулярно – механического изнашивания. С увеличением микронеровностей доля молекулярной составляющей силы трения убывает, но при этом возрастает механическая составляющая. В результате с увели­чением Rz увеличивается износ поверхности. При больших зна­чениях высот микронеровностей и относительно малой твердо­сти противолежащей поверхности изнашивание может принять абразивный характер.

Рис.13. Зависимость износа втулок: а — от твердости материала (БрАЖН 10-4-4); б — от шероховатости рабочей поверхности (сталь 45)

Значительное влияние на износ деталей и, следовательно, на долговечность машины оказывает режим приработки. Большие нагрузки на поверхности деталей в период приработки приводят к вырывам гребешков, образованию новых впадин и интенсивно­му износу поверхности (рис.14) , кривая 1). При очень малых на ­грузках процесс приработки протекает медленно, кри­вая 2), что снижает эффективность использования машины. Таким образом, существует оптимальный режим приработки, при кото­ром износ поверхностей и время приработки будут невелики, а эффективность использования машины максимальна.

Рис.14. Графическая зависимость износа сопряжения в период приработки: 1 и 2 — соответственно, при больших и малых нагрузках; 3 — при повторной приработке

Влияние эксплуатационных факторов. Из множества эксплуа­тационных факторов существенное влияние на характер и интенсивность изнашивания элементов машины оказывают: вид, каче­ство и количество смазочного материала; запыленность, характе­ризуемая концентрацией абразивных частиц в окружающей сре­де, влажность окружающей среды, а также периодичность и каче­ство проведения операций технического обслуживания и ремонта машин.

Увеличение запыленности окружающей среды вызывает абра­зивное изнашивание деталей, отличающееся наиболее высокой интенсивностью.

Повышение концентрации воды в окружающей среде ведет к активизации коррозионных процессов разрушения элементов ма­шин. Для защиты элементов машин от влияния влаги герметизи­руют сопряжения, применяют защитные покрытия и водостойкие смазочные материалы.

Периодичность и качество проведения операций техничес­кого обслуживания и ремонтов зависят от принятой на пред­приятии системы технической эксплуатации машин, а также от квалификации обслуживающего персонала. Большое значение при этом имеет наличие на предприятии диагностических средств и их номенклатура. Разборочно-сборочные операции при техническом обслуживании (ТО) и ремонтах вызывают рез­кое увеличение интенсивности изнашивания элементов сопря­жения. Это является следствием нарушения установившейся равновесной шероховатости поверхностей деталей из-за изме­нения их взаимного положения и вызывает процесс повторной приработки (рис.14) , кривая 3).

Для повышения долговечности оборудования после проведения текущего ремонта необходимо обеспечить его постепенное нагружение, что создаст благоприятные условия для приработки деталей.