При изнашивании

Износ является самой распространенной формой старения элементов технических устройств. Он появляется в кинематических парах трения и приводит к следующим видам отказов:

1. Нарушение запроектированных условий смазки;

2. Появление зазоров, превышающих допустимые величины;

3. Снижение прочности деталей вследствие износа.

Кратко и в самых общих чертах рассмотрим физику процесса трения как исходную основу износа.

2.2.1. Физико-механические основы процесса трения.По кинематике осуществления различают два вида трения: трение скольжения и трение качения.

По условиям смазки трение можно подразделить на сухое, жидкостное и полусухое (полужидкостное). Сухое трение осуществляется между несмазанными поверхностями деталей. При жидкостном трении трущиеся поверхности разделены между собой слоем смазочной жидкости, называемой масляным клином. При этом контакт твердых движущихся поверхностей практически отсутствует. Полусухое, или его еще называют полужидкостное, трение является промежуточным случаем между сухим и жидкостным трением. При перемещении трущихся поверхностей сквозь масляный клин некоторая часть микровыступов касается контрповерхности. Во многих работах этот вид трения называется, граничным трением.

Физическая сущность процессов, протекающих при трении, очень сложна и, несмотря на большое количество исследований посвященных трению, еще недостаточно изучена.

2.2.2. Износ элементов и узлов машин и механизмов.Рассмотрим некоторые физические закономерности и явления, имеющие место при изнашивании.

Общеизвестно, что поверхности деталей машин, как бы тщательно они ни обрабатывались, имеют шероховатую и волнистую поверхность. Наиболее гладкие поверхности деталей имеют микровыступы высотой от 0,05 до 0,1 мкм. Наиболее грубые металлические поверхности имеют выступы высотой 100—200 мкм и, даже более. Кроме того, поверхности имеют волнистое строение. Шаг волны колеблется в пределах 1000—10000 мкм, а высота ее колеблется от нескольких микрометров до 40 мкм. В силу такого строения касающихся поверхностей площадь их контакта имеет дискретный характер и всегда значительно меньше, чем номинальная площадь соприкасающихся поверхностей. Дискретный характер контакта приводит к тому, что фактическая несущая способность элемента всегда существенно ниже, по сравнению с рассчитанной по номинальной площади.

На величину фактической площади соприкосновения влияют шероховатость, полученная при обработке, прочностные свойства материалов пары и сжимающее усилие. Зависимость фактической площади касания от шероховатости (и волнистости), полученной при механической обработке, выражается следующими данными, которые приведены в таблице 1.

Величины относительной фактической площади касания, приведенные в таблице 1, весьма условны. Малейшие изменения в характере обработки сопряженных поверхностей значительно влияют на фактическую площадь соприкосновения при той же чистоте обработки соприкасающихся поверхностей.

Таблица 1

Фактическая площадь касания поверхностей

Наименование материалов	Сжимающее усилие, кГ/см²	Шероховатость	S_ф/S_н в %
Ст9ХС – ст9ХС	Постоянное 50	Rz80	0,1 – 0,05
Ст25 – ст25	Ra 2,5	2 – 6
Ст10 – ст10	Ra 0,63	5 – 15
Медь М2 – М2	Ra0,12	до 30

Примечание: S_ф – фактическая площадь соприкосновения; S_н – номинальная площадь соприкосновения.

Поэтому при проектировании и изготовлении элементов машин, работающих в условиях трения покоя или движения, оценка фактической площади касания является обязательной. Без нее нельзя произвести достоверную оценку ожидаемой безотказной работы элемента.

Характерный вид зависимости S_ф/S_н — Р для материалов образцов из стали У9 приведен на рис. 1. Из графика видно, что эта зависимость в двойных логарифмических координатах выражается прямой линией, которая может быть аппроксимирована следующей формулой:

S_ф/S_н=(m*P*n*100%)/k , (5)

где S_ф/S_н - относительное значение фактической площади касания в процентах; Р — давление между образцами на поверхности; m, n, k — экспериментально определяемые коэффициенты.

Приведенная зависимость определена на металлических электропроводящих образцах.

2.2.3. Закономерности износа элементов машин. Протеканию процессов изнашивания способствует ряд физических факторов, имеющих место при контактировании:

а) усталость материала микровыступов, возникающая под воздействием многократного деформирования;

б) высокие локальные температуры в пятнах контакта. Они приводят к фазовым превращениям в поверхностных слоях металла: диффузии, свариванию и т. д.

Рис. 1. Зависимость относительной фактической площади касания S_ф/S_н от удельного давления для образцов из стала У9

в) окислительные и другие химические реакции, в своем большинстве разупрочняющие поверхности сопряженных деталей;

г) молекулярные взаимодействия, называемые также адгезией (при контактировании разнородных металлов) и когезией (при контактировании однородных металлов);

д) химико-механическое действие смазывающей среды (эффект Ребиндера). Поверхностно-активные жидкости разрушают детали, вызывая глубокие трещины и охрупчивание материала.

Протекание процесса износа во времени характеризуется закономерностями, называемыми типичными кривыми износа. В общем случае типичная кривая износа имеет вид, изображенный на рис. 2. На кривой можно выделить три участка, характеризуемые различной интенсивностью изнашивания.

1. Участок начального или приработочного износа - I. Он характеризуется повышенной скоростью изнашивания. Это связано с притиркой соприкасающихся поверхностей, изменением их микро- и макрогеометрии.

2. Участок нормального износа - II. Имеет место равномерный износ сопряженных поверхностей с минимальной интенсивностью.

3. Участок катастрофического износа - III. Он характеризуется резким возрастанием интенсивности изнашивания. Эксплуатация трущегося узла в период его катастрофического износа недопустима, она может привести к отказам и крупным поломкам.

Во многих случаях кривая износа не имеет ярко выраженных некоторых участков. Если правильно выбраны материалы трущихся элементов, обеспечена оптимальная технологии изготовления и сборки, то кривая износа может не иметь или иметь очень слабо выраженный начальный участок износа (см. рис. 2б, кривые 1, 2).

Рис. 2. Типичные кривые износа

В ряде случаев участок нормального износа не подчиняется линейному закону (см. рис. 2б, кривая 3).

Когда преобладающим является осповидный износ — питтинг, нередко имеет место такое явление,— в течение некоторого времени износ практически незаметен, и затем сразу наступает катастрофический износ — очень опасный, особенно для подшипников качения. Этот процесс показан на графике рис. 2б, кривая 4.

Для целей расчета различных характеристик надежности важно знать математическую интерпретацию графических зависимостей, приведенных на рис. 2. В большинстве работ исключают из анализа приработочный участок (рис. 2а, I) и участок катастрофического износа III. Участок II аппроксимируется прямой линией

h = g*t; h = i_h *L, (6)

где h — функция износа; g — скорость изнашивания; t —время; i_h — интенсивность изнашивания линейная; L — путь трения.

Под скоростью износа понимается изменение износа с течением времени

l=dh/dt . (7)

Скорость износа может быть линейной, объемной и весовой в зависимости от того, в каких единицах оценивается износ.

Интенсивность изнашивания характеризует изменение износа как функции пути или работы трения

i_h =dh/dL; i_v =dV/dL; i_g =dQ/dL; (8)

или

i_w_h =dh/dA_F; i_w_v = dV/dA_F; i_w_g =dQ/dA_F. (9)

В формулах (8) и (9) обозначено: V — объем, отделившегося (изношенного) материала; Q — вес отделившегося материала; i_h, i_v, i_g - соответственно линейная, объемная и весовая интенсивности изнашивания; i_w_h, i_w_v, i_w_g— соответственно линейная, объемная и весовая энергетические интенсивности изнашивания; A_F — работа трения (или энергия трения).

Исходя из вышеизложенных соображений, в большинстве исследований для целей расчета элементов трения используется линейная аппроксимация — закон Хрущева М. М.:

h = k*p*L = k*p*V_с*t (10)

где k и p — коэффициенты, определяемые экспериментальным путем, L - путь трения, V_с - скорость скольжения, t - время.