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 = *t; h = i_h *L, (6)

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

Под скоростью износа понимается изменение износа с те­чением времени

=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_h =dh/dA_F; i_v = dV/dA_F; i_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_h, i_v, i_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.