2.2.Надежность и долговечность элементов машин 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	Sф/Sн в %
Ст9ХС – ст9ХС	Постоянное 50	Rz 80	0,1 – 0,05
Ст25 – ст25		Ra 2,5	2 – 6
Ст10 – ст10		Ra 0,63	5 – 15
Медь М2 – М2		Ra 0,12	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.