Триботехника

Если поверхности имеют  ярко выраженную волнистость, то ее параметры  определяют из волнограмм, снимаемых с помощью профилографов

Вкратце рассмотрим экспериментальные  методы измерения ФПК. Все методы можно разделить на 2 группы: методы, основанные на изучении оттиска поверхности, и методы, основанные на прямом или  косвенном измерении площади  в условиях контактирования. Первая группа методов легче реализуется, но требует нарушения контакта. Сюда относятся методы измерения с использованием индикаторных пленок люминофоров, радиоизотопов, красящих веществ, наносимых на одну из контактирующих поверхностей. Поверхности после контактирования разнимают и с помощью планиметра измеряют площадь пятен. Все методы имеют индивидуальные источники погрешностей. Наиболее точные результаты дают 3 метода: метод угольных пленок, метод оценки переноса атомов материала одной поверхности на другую и метод измерения площадок сжатия выступов при контакте шероховатого тела с гладким.

Первый метод наиболее прост и доступен. На поверхность  одной из деталей пары, покрытой тончайшим слоем смазки, напыляется в низком вакууме тонкая (толщиной до 1 мкм) пленка угля. Затем на напыленную поверхность накладывают вторую деталь пары и сжимают их приложением  нормальной нагрузки. В местах контакта пленка разрушается, и светлые пятна  касания отчетливо видны на черном фоне. Их площадь легко измерить планиметрированием. Второй метод заключается  в обследовании побывавшей в контакте поверхности на растровом электронном  микроскопе с рентгеновским микроанализатором, который настраивается на материал контртела. Анализатор регистрирует пятна  контакта, как совокупность перенесенных при взаимодействии атомов контр-тела. Третий метод основан на измерении площадок смятия выступов металлических шероховатых тел после их контактирования с плоской твердой гладкой поверхностью. Площадки видны, как зеркальные пятна на сером фоне. Измерения проводятся в автоматическом режиме с использованием телевизионных планиметров. Метод применим только в условиях пластического контакта.

Р и с. 1.9. Схема оптического

метода оценки шероховатостей

(метод НПВО)

Вторая группа методов  позволяет измерять ФПК в условиях взаимодействия поверхностей. К ней  относится метод нарушения полного  внутреннего отражения (НПВО). Схема  метода показана на рис. 1.9. Луч света 1 падает под углом, большим предельного, на грань прозрачной призмы и испытывает полное внутреннее отражение. К призме прижимается шероховатое тело. В  местах контакта полное внутреннее отражение  нарушается, и пятна контакта в  лучах отраженного света 2 выглядят темными на светлом фоне. Применение метода ограничено узким выбором  прозрачного материала, в качестве которого обычно используется стекло, обладающее низкой прочностью.

Другим методом является измерение электросопротивления контакта, по которому можно рассчитать ФПК. Здесь  главным источником погрешности  является наличие на поверхностях пленок окислов, проводимость которых много  меньше, чем у металлов.

 

Изменения в поверхностном  слое

Основные характеристики и виды изнашивания

Относительные перемещения  контактирующих поверхностей и их механические взаимодействия приводят не только к  изменениям состояния и свойств  материалов поверхностных слоев, как  это отмечалось в гл. 2, но и к  их разрушению.

Обычно разрушение происходит в форме отделения от поверхностей трения мелких частиц материала, что  приводит с течением времени к  изменению размеров и формы контактирующих деталей. Это явление и называют изнашиванием.

Следует иметь в виду, что изнашивание является сложным  многоуровневым процессом.

Основным инициатором  изнашивания является деформация материала  контактирующих поверхностей под действием  контактных напряжений и температурные  флуктуации. Их следствием является накопление дефектов структуры с концентрацией  в поверхностном слое: текстурирование  материала в направлении скольжения; химические реакции материала пары с активными компонентами среды; перенос вещества с поверхности  трения в глубину, либо обратно, и  обмен веществом контактирующих тел и т.д.

Величину износа определяют в единицах длины, объема, массы, а  износ за единицу времени - как скорость изнашивания, м/ч:

J=Dh/t,

где Dh - величина износа, (линейный износ) или толщина удаленного слоя, м;        t - время, ч.

Широко распространена другая характеристика изнашивания - интенсивность изнашивания:

   (безразмерная величина),

где Dh - величина износа, м, а L - путь трения, м.

Представление о характере изнашивания можно получить из краткого обзора основных разновидностей изнашивания. Их описание предварим следующим замечанием. В трибологии принято за основу классификации видов изнашивания принимать отчетливо наблюдаемый или иным образом установленный преобладающий вид разрушения поверхностей трения.

Усталостное изнашивание

К усталостному изнашиванию  относят случаи, когда при работе узлов трения отсутствуют аномальные повреждения (схватывания, задиры, микрорезание, прижоги поверхностей и т.п.), трение протекает в нормальных условиях, имеется смазка, но тем не менее вследствие трения материал поверхностного слоя «устает» и начинает отделяться в виде частиц износа. Здесь как бы проводится аналогия с понятием «усталостная прочность».

Различают усталостное изнашивание  двух видов: многоцикловое и малоцикловое. Многоцикловое изнашивание возникает  при упругом контактировании. Многократное воздействие на микровыступ приводит к постепенному накоплению микродефектов, образованию микротрещин, при слиянии которых образуются поверхностные макротрещины, вызывающие разрушение материала и отделение частиц износа. При малоцикловом изнашивании совместное действие нормальной и касательной нагрузок при трении приводит к тому, что максимальное касательное напряжение возникает не на поверхности, а под пятном контакта на небольшой глубине, где накапливаются повреждения и образуются трещины. У хрупкого материала трещина возникает на поверхности. Малоцикловое изнашивание наблюдается при пластическом деформировании поверхностей (без резания) более мягкого материала выступами более твердого. В местах такого деформирования нередко образуются боковые навалы, которые при последующих проходах тоже могут отделяться в виде продуктов износа.

Абразивное  изнашивание

Абразивные частицы производят на поверхностях трения разрушительное действие в двух основных формах. Острые абразивные частицы царапают, совершают  хаотический процесс микрорезания, что наблюдается, например, при работе почвообрабатывающих или горных машин.

Второй характерный механизм изнашивания - деформационное действие «тупых» абразивных частиц, которые  не царапают, а выдавливают лунки  или бороздки и вызывают при многократном повторении локальные усталостные  разрушения.

Еще одной разновидностью абразивного износа является гидроабразивный износ. Гидро- и газоабразивный износ возникает при действии на поверхность потоков газа или жидкости, содержащих частицы абразива.

При отсутствии абразивных частиц в струях жидкостей или  газов наблюдается эрозионный износ.

К данной разновидности изнашивания  близок кавитационный износ. Кавитационный износ возникает, когда жидкость обтекает края препятствий, например лопаток насосов, турбин. На краях препятствий резко изменяется скорость течения, образуются разрывы в кавитационные образования, заполненные паром, которые, захлопываясь создают ударные волны. Многократное ударное воздействие расшатывает кристаллы металлической поверхности, которые через некоторое время выкрашиваются.

Коррозионно-механическое изнашивание

К такой разновидности  изнашивания относят окислительный  износ, фреттинг-коррозию и водородный износ. Окислительный износ связан с активацией окислительных процессов  поверхностных слоев трущихся поверхностей за счет пластической деформации, повышенной температуры, действия циклических  нагрузок и наличия кислорода  в смазке и окружающей среде.

При окислительном изнашивании  вначале, когда пленки окислов тонки (порядка долей микрометра) и эластичны, они играют положительную роль и  предохраняют поверхности от повреждений. Но по мере роста они становятся толстыми, хрупкими и разрушаются  при нагрузках, которые вначале  легко переносили. Продукты износа уносятся со смазкой. Тем временем окислительный  процесс продолжается, пленки снова  нарастают и защищают от износа основной материал. Таким образом, окислительное  изнашивание - это процесс, при котором  разрушается не материал изнашиваемой детали, а его вторичные структуры - оксиды, образующиеся в процессе трения.

Самой агрессивной формой окислительного износа является фреттинг-коррозия  (англ. Fret  - разъедать). Фреттинг-коррозия обычно наблюдается в номинально неподвижных соединениях, подверженных вибрации. При фреттинг-коррозии циклические микроперемещения в контакте вызывают локальные тепловые флуктуации, многократное пластическое деформирование, интенсивное накопление дефектов структуры, образование микро- и макротрещин, по которым в глубину от поверхностей диффундирует кислород и другие активные компоненты среды. Отделившиеся частицы абразивно воздействуют на поверхность. Характерные объекты подобного изнашивания - замки лопаток различных турбин, резьбовые соединения и другие детали машин, работающие в динамически напряженных условиях.

 

Водородное  изнашивание

Водородный износ наблюдают  в резьбовых соединениях, золотниковых и плунжерных парах, тормозных дисках и других узлах трения.

Водород в парах трения образуется в атомарной форме  при электрохимико-термическом разложении воды, смазок, пластмасс. Такой водород  по микродефектам материала диффундирует в поверхностный слой. При этом металлические связи заменяются слабыми водородными, а материал охрупчивается.

При трении в таких парах  на стальной поверхности возникает  мягкий, близкий к аморфному состоянию  слой меди. При этом в процессе трения происходит взаимный, непрекращающийся перенос атомов меди с одной поверхности  на другую, а пленка меди на стали  постоянно возобновляется. Возможен и другой вариант, когда обе трущиеся детали стальные, но в системе машины имеются детали из медных сплавов, не участвующие в трении. Кислоты, возникающие  в смазке в ходе ее термического распада, растворяют медный сплав, причем ионы меди оседают на обеих стальных поверхностях, образуя защитные пленки. В третьем случае в смазку вводят коллоидный раствор частиц, необходимых  для образования защитных пленок. Избирательный перенос обеспечивает многолетнюю эксплуатацию узлов  трения без заметного изнашивания. В таком режиме, например, работают компрессоры бытовых холодильников. Имеется положительный опыт создания режима избирательного переноса в ДВС  и других агрегатах и узлах  трения автомобилей.

Особый механизм изнашивания  проявляется у резин. Обладая  низким модулем упругости, резины способны к высокой относительной упругой  деформации в 100% и более. Из-за высокого коэффициента трения элементы резиновой  поверхности увлекаются контртелом, вытягиваются, отрываются и скручиваются, образуя продукты износа в виде окатышей.

Имеются и другие менее  выраженные и специфические формы  износа, которые интересны при  узкой специализации.

Однако, несмотря на большую специфику, у  всех видов изнашивания имеются  общие закономерности.

Типичная характеристика износа во времени представлена на рис. 4.1.

Начальная часть кривой здесь  характеризует период приработки (t_прираб.). Затем изнашивание протекает с постоянной скоростью (t_{прираб.}, t_{критич.}). Этот участок принято называть периодом нормальной эксплуатации. При t > t_{критич.} износ резко возрастает, становится катастрофическим, что приводит к выходу узла трения из строя.

На этапе приработки формируются  эксплуатационные свойства узла трения.

Сформировавшуюся  к концу приработки шероховатость  принято называть равновесной.

 

Р и с. 4.1.  Кривая износа

Равновесная шероховатость  связана с исходной, но её параметры  главным образом определяются физико-механическими  свойствами материалов деталей и  смазки, а также характеристиками режима трения (нагрузка, скорость, температура  и т.д.). При введении в эксплуатацию узлов трения после изготовления или капитального ремонта в технической  документации тщательно оговариваются  режимы приработки или обкатки, чтобы  она прошла в кратчайший срок и  создала благоприятные условия  для длительной эксплуатации. Обычно также оговаривается и предельно  допустимая величина износа (Dh_max) , определяющая ресурс всего узла трения или сменных деталей, например, вкладышей подшипников скольжения, подшипников качения, тормозных колодок и накладок.

В заключение краткого обзора форм проявления изнашивания следует  отметить, что в чистом виде каждый из отмеченных механизмов изнашивания  практически не встречается, чаще всего  преобладает ведущий механизм изнашивания  и сопутствующие формы в зависимости  от особенностей конструкции и условий  работы узла трения.

Основным способом разрушения материала на поверхностях трения при  всех видах изнашивания является образование и накопление повреждений  в тонких поверхностных слоях  материала. При этом наличие абразива, химических превращений или явления  переноса может лишь изменять интенсивность  разрушения либо в сторону ускорения, либо замедления.

Задача трибологии состоит  в разработке средств и методов  управления этими процессами или  направленного уменьшения изнашивания, обеспечения высоких ресурсных  характеристик узлов трения.

 

 

Изнашивание деталей

Виды износа различают  в соответствии с существующими  видами изнашивания—механическое (абразивное, усталостное), коррозионное и др.

Механический износ является результатом действия сил трения при скольжении одной детали по другой. При этом виде износа происходит истирание (срезание) поверхностного слоя металла  и искажение геометрических размеров у совместно работающих деталей. Износ этого вида чаще всего возникает  при работе таких распространенных сопряжений деталей, как вал —  подшипник, станина — стол, поршень  — цилиндр и др. Он появляется и при трении качения поверхностей, так как этому виду трения неизбежно  сопутствует и трение скольжения, однако в подобных случаях износ  бывает очень небольшим.

Степень и характер механического  износа деталей зависят от многих факторов: физико-механических свойств  верхних слоев  металла; условий  работы и характера взаимодействия сопрягаемых поверхностей; давления; относительной скорости перемещения; условий смазывания трущихся поверхностей; степени шероховатости последних и др. Наиболее разрушительное действие на детали оказывает абразивное изнашивание, которое наблюдается в тех случаях, когда трущиеся поверхности загрязняются мелкими абразивными и металлическими частицами. Обычно такие частицы попадают на трущиеся поверхности при обработке на станке литых заготовок, в результате изнашивания самих поверхностей, попадания пыли и др. Они длительное время сохраняют свои режущие свойства, образуют на поверхностях деталей царапины, задиры, а также, смешиваясь с грязью, выполняют роль абразивной пасты, в результате действия которой происходит интенсивное притирание и изнашивание сопрягаемых поверхностей. Взаимодействие поверхностей деталей без относительного перемещения вызывает смятие металла, что характерно для шпоночных, шлицевых, резьбовых и других соединений.