Триботехника

Механический износ может  вызываться и плохим обслуживанием  оборудования, например нарушениями  в подаче смазки, недоброкачественным  ремонтом и несоблюдением его сроков, мощностной перегрузкой и т. д.

Во. время работы многие детали машин (валы, зубья зубчатых колес, шатуны, пружины, подшипники) подвергаются длительному действию переменных динамических нагрузок, которые более отрицательно влияют на прочностные свойства детали, чем нагрузки статические. Усталостный износ является результатом действия на деталь переменных нагрузок, вызывающих усталость материала детали и его разрушение. Валы, пружины и другие детали разрушаются вследствие усталости материала в поперечном сечении. При этом получается характерный вид излома с двумя зонами — зоной развивающихся трещин и зоной, по которой произошел излом. Поверхность первой зоны гладкая, а второй — с раковинами, а иногда зернистая.

Усталостные разрушения материала  детали не обязательно должны сразу  привести к ее поломке. Возможно также  возникновение усталостных трещин, шелушения и других дефектов, которые, однако, опасны, так как вызывают ускоренный износ детали и механизма. Для предотвращения усталостного разрушения важно правильно выбрать форму  поперечного сечения вновь изготовляемой  или ремонтируемой детали: она  не должна иметь резких переходов  от одного размера к другому. Следует  также помнить, что грубо обработанная поверхность, наличие рисок и  царапин могут стать причиной возникновения усталостных трещин.

Износ при заедании возникает  в результате прилипания («схватывания») одной поверхности к другой. Это  явление наблюдается при недостаточной  смазке, а также значительном давлении, при котором две сопрягаемые  поверхности сближаются настолько  плотно, что между ними начинают действовать молекулярные силы, приводящие к их схватыванию.

Коррозионный износ является результатом изнашивания деталей  машин и установок, находящихся  под непосредственным воздействием воды, воздуха, химических веществ, колебаний  температуры. Например, если температура  воздуха в производственных помещениях неустойчива, то каждый раз при ее повышении содержащиеся

Рис.  1.   Характер  механического  износа деталей:

а — направляющих станины и стола, б — внутренних поверхностей цилиндра, в — поршня, г, д — вала, е, ж  — зубьев колеса, з — резьбы винта  и гайки, и — дисковой фрикционной  муфты; 1 — стол, 2 — станина, 3 —  юбка, 4 — перемычка, 5 — днище, 6 —  отверстие, 7 — подшипник, 8 — шейка  вала, 9 — зазор, 10 — винт, // — гайка; И — места износа, Р » действующие усилия

в воздухе водяные пары, соприкасаясь с более холодными  металлическими деталями, осаждаются на них в виде конденсата, что  вызывает коррозию, т. е. разрушение металла  вследствие химических и электрохимических  процессов, развивающихся на его  поверхности. Под влиянием коррозии в деталях образуются глубокие разъедания, поверхность становится губчатой, теряет механическую прочность. Эти явления наблюдаются, в частности, у деталей гидравлических прессов и паровых молотов, работающих в среде пара или воды.

Обычно коррозионный износ  сопровождается и механическим износом  вследствие сопряжения одной детали с другой. В этом случае происходит так называемый коррозионно-механи-ческии, т. е. комплексны и, износ.

Характер механического  износа деталей. Механический износ  деталей оборудования может быть полным, если повреждена вся поверхность  детали, или местным, если поврежден  какой-либо ее участок (рис. 1, а—и).

В результате износа направляющих станков нарушаются их плоскостность, прямолинейность и параллельность вследствие действия на поверхности  скольжения неодинаковых нагрузок. Например, прямолинейные направляющие 2 станка (рис. 1, а) под влиянием больших местных  нагрузок приобретают вогнутость в  средней части (местный износ), а  сопрягаемые с ними короткие направляющие 1 стола становятся выпуклыми.

Цилиндры и гильзы поршней  в двигателях, компрессорах, молотах  и других машинах изнашиваются тоже неравномерно (рис. 1,б). Износ происходит на участке движения поршневых колец  и проявляется в виде выработки  внутренних стенок цилиндра или гильзы. Искажается форма отверстия цилиндра — образуются отклонения от цилиндричности и круглости (бочкообразность), возникают царапины, задиры  и другие дефекты. У цилиндров двигателей внутреннего сгорания наибольшему износу подвергается их верхняя часть, испытывающая самые высокие давления и наибольшие температуры. В кузнечно-прессовом оборудовании, наоборот, наибольший износ появляется в нижней части цилиндра — там, где находится поршень во время ударов. Износ поршня (рис.1, в) проявляется в истирании и задирах на юбке, изломе перемычек 4 между канавками, появлении трещин в днище 5 и разработке отверстия 6 под поршневой палец.

Износ валов (рис. 1, г, Д) проявляется  возникновением различных дефектов: валы становятся изогнутыми, скрученными, а также изломанными вследствие усталости материала; на их шейках образуются задиры; цилиндрические шейки становятся конусными или бочкообразными. Отклонения от круглости приобретают также  отверстия подшипников скольжения и втулок. Неравномерность износа шеек валов и поверхностей отверстий  во втулках при вращении вала —  результат действия различных нагрузок в разных направлениях. Если на вал  во время вращения действует только сила его тяжести, то износ появляется в нижней части подшипника (см. рис. 1, г, слева).

В зубчатых передачах наиболее часто изнашиваются зубья: образуются задиры, зубья изменяют свою форму, размеры и выламываются. Поломка  зубьев, появление трещин в спицах, ободе и ступице зубчатых колес, износ посадочных отверстий и  шпонок происходит по трем основным причинам: 1) перегрузка зубчатой передачи; 2) попадание  в нее посторонних тел; 3) неправильная сборка (например, крепление зубчатых колес на валу с перекосом осей).

Ходовые винты имеют трапецеидальную  или прямоугольную резьбу. У винта  и его гайки изнашивается резьба, витки становятся тоньше (рис.1, З.). Износ  резьбы у винтов, как правило, неравно-

Задир — повреждение поверхности  трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения. мерный, так как подавляющая часть деталей, обрабатываемых на станках, имеет меньшую длину, чем ходовой винт. Сильнее изнашивается та часть резьбы, которая работает больше. Гайки ходовых винтов изнашиваются быстрее, чем винты. Причины этого таковы: резьбу гаек неудобно очищать от загрязнений; гайки в ряде случаев неудовлетворительно смазываются; у гайки, сопряженной с винтом, участвуют в работе все витки резьбы, тогда как у винта одновременно работает только небольшая часть его витков, равная числу витков гайки.

У дисковых муфт в результате действия сил трения наибольшему  износу подвергаются торцы дисков (рис. 1, и); их поверхности истираются, на них появляются царапины, задиры, нарушается плоскостность.

В резьбовых соединениях  наиболее часто изнашивается профиль  резьбы, в результате в них увеличивается  зазор. Это наблюдается в

а) б)

Рис. 2. Износ подшипников качения:

а — вследствие перекоса, б —  при проворачивании внутреннего  кольца на валу, в — из-за чрезмерного  натяга, г — из-за неисправного сальника; И — места износа

сопряжениях не только ходовых, но и зажимных, например зажимных винтов часто отвертываемых крепежных болтов. Износ резьбовых соединений — результат недостаточной или, наоборот, чрезмерной затяжки винтов и гаек; особенно интенсивен износ, если работающее соединение воспринимает большие или знакопеременные нагрузки: болты и винты растягиваются, искажаются шаг резьбы и ее профиль, гайка начинает «заедать». В этих случаях возможны аварийные поломки деталей соединения. Грани головок болтов и гаек чаще всего изнашиваются потому, что их отвертывают несоответствующими ключами.

В шпоночных соединениях  изнашиваются как шпонки, так и  шпоночные пазы. Возможные причины  этого явления — ослабление посадки  детали на валу, неправильная подгонка шпонки по гнезду.

В подшипниках качения  вследствие различных причин (рис. 2, а—г) износу подвержены рабочие поверхности — на них появляются оспинки, наблюдается шелушение поверхностей беговых дорожек и шариков. Под действием динамических нагрузок происходит их усталостное разрушение; под влиянием излишне плотных посадок подшипников на вал и в корпус шарики и ролики защемляются между кольцами, в результате чего возможны перекосы колец при монтаже и другие нежелательные последствия.

Различные поверхности скольжения также подвержены характерным видам  износа (рис. 3). В процессе эксплуатации зубчатых передач вследствие контактной усталости материала рабочих  поверхностей зубьев и под действием  касательных напряжений возникает  выкрашивание рабочих поверхностей, т. е. отделение частиц материала.

Рис.3.  Характерные виды износа поверхностей скольжения:

а — выкрашивание, б — отслаивание, в — коррозия, г — эрозия, д  — царапины, е — задиры, ж —  налипание, з — глубинный вырыв  материала и перенос его с  другой поверхности трения риала, приводящее к образованию ямок на поверхности  трения (рис. 3, а). Разрушение рабочих поверхностей зубьев вследствие интенсивного выкрашивания (рис. 3, б) часто называют отслаиванием (происходит отделение от поверхности трения материала в форме чешуек).

На рис. 3, в показана поверхность, разрушенная коррозией. Поверхность чугунного порошкового кольца (рис. 3, г) повреждена вследствие эрозионного изнашивания, которое происходит при движении поршня в цилиндре относительно жидкости; находящиеся в жидкости пузырьки газа лопаются вблизи поверхности поршня, что создает местное повышение давления или температуры и вызывает износ деталей. На поверхности тормозного барабана (рис. 3, д) показаны риски, которые появляются при воздействии на вращающийся барабан твердого тела или твердых частиц. Задиры (рис. 3, е) образуются в результате схватывания поверхностей при трении вследствие действия между ними молекулярных сил. На рис. 3, ж показана рабочая поверхность детали с налипшими на нее посторонними частицами, а на рис. 3, з— поверхность детали с износом при заедании в результате схватывания — глубинного вырыва материала и переноса его с другой поверхности трения.

 

Механизм фреттинг-коррозии

Проведенные эксперименты показали, что на участках поверхностей, поврежденных фреттинг-коррозией, протекают схватывание, абразивное разрушение, усталостные  процессы, сопровождающиеся окислением и коррозией. Причем в зависимости  от условий нагружения, свойств материалов и окружающей среды один из перечисленных  процессов является преимущественным и оказывает существенное влияние  на долговечность работы соединения.

Схватывание как ведущий  процесс при фреттинг-коррозии встречается  в прессовых, болтовых, заклепочных  и других соединениях, к которым  вследстие действия больших контактных нагрузок затруднен доступ окружающей среды. В этом случае вступают в контакт  ювенильные участки поверхности, что  приводит к схватыванию и взаимному  переносу металла.

Рассмотрим преимущественное развитие процессов схватывания  на примере узла соединения главного и прицепного шатуна поршневого двигателя. В этом узле сопряжены главный шатун (рис. 1, а) и палец прицепного шатуна (рис. 1, б), посадка прессовая. Детали изготовлены из термообработанных перлитных сталей соответсвенно 40ХНМА и 38ХМЮА. Внутренняя поверхность проушины главного шатуна хромирована, палец прицепного шатуна азотирован. Посадочный поясок покрыт слоем латуни. Узел работает при температуре 100–200°С. Относительное перемещение сопряженных деталей может достигать 15–30 мкм.

Рис.1. Проушина (а) и палец шатуна (б) двигателя, поврежденные фреттинг-коррозией

Под действием высоких  удельных нагрузок в поверхностных  слоях контактирующих участков протекает  интенсивная пластическая деформация. Электронномикроскопический анализ позволил обнаружить наличие сложного рабочего рельефа поверхностей контакта, образовавшегося  в результате их деформирования.

Пластические деформации способствуют схватыванию ювенильных участков поверхности. При динамических нагрузках во время работы соединения происходит разрушение узлов схватывания, что приводит к глубоким вырывам металла и налипанию одного металла на другой. Вырывы и наросты становятся концентраторами напряжений, снижающими долговечность работы соединения. В нашем случае разрушение, в основном, происходит по хромированной поверхности главного шатуна, имеющей меньшее значение ударной вязкости.

Если разрушение поверхностей на первых этапах работы имеет локальный  характер, то в дальнейшем при благоприятных  условиях оно распространяется по большой  поверхности (рис. 2, а). Окислительные  процессы в этом случае несколько  затормаживаются вследствие затруднительного доступа воздуха в зону контакта.

Преимущественное усталостно-коррозионное повреждение поверхности большей  частью обнаруживается на шлицевых соединениях, сопряжениях с легкоходовой, скользящей и легкопрессовой посадками и  на некоторых других. Пример повреждения шлицевого соединения показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Участки поверхностей деталей, поврежденные фреттинг-коррозией: а, г – схватывание; б, д – усталостно-коррозионное разрушение; в, е – абразивное разрушение

В результате действия внешней  нагрузки и возможного микроперемещения поверхностей происходит пластическая деформация материала, которая интенсифицирует  коррозионные процессы на контакте. Причем преимущественная коррозия поверхности  происходит в складках деформационного  рельефа.

В связи с предеформированием материала в поверхностных слоях  начинают развиваться усталостные  явления, сопровождающиеся образованием микротрещин. Срастание микротрещин  приводит к отколу частиц металла, упрочненных  пластической деформацией. На этапе наблюдается упрочнение и разупрочнение поверхностных слоев, о чем свидетельствует немонотонное изменение микротвердости по глубине. Развитие усталостных процессов, сопровождающихся интенсивным окислением и коррозией, приводит к прогрессирующему разрушению поверхностного слоя. При усталостно-коррозионных процессах глубина повреждения может достигать 0.2–0.4 мм. Усталостно-коррозионное повреждение поверхности чаще всего приводит к усталостному разрушению деталей. Это можно объяснить тем, что и фреттинг-коррозия и усталость, как правило, имеют одну и ту же причину возникновения.