1. Износ соединений

Под воздействием многократно повторяющихся усилий в заклепочных соединениях возникают взаимные перемещения (сдвиги) соединяемых элементов по поверхно­стям контакта. В зависимости от действующего усилия и сил трения на поверхностях контакта сдвиги могут возникать как по всему контакту, так и на отдельных его участках (в зонах сдвига). В результате взаимных сдвигов происходит механиче­ский износ по поверхностям контактов. Износом заклепочного соединения называется повреждение металла на поверхностях контакта вследствие взаимного перемещения (сдвига) соединяемых элементов, вызывающего уменьшение их толщины.

Износ приводит к снижению начального натяжения закле­пок и соответственно сил трения на поверхностях кон­такта, а следовательно, к изменению напряженного состояния соединения, стадии его работы.

По мере увеличения износа наблюдается рост концентрации напряжений около заклепочных отверстий, что при­водит к ускорению накопления усталостных повреждений. Из­нос, кроме того, может снижать сопротивляемость металла уста­лости.

При значительном износе, когда практически полностью снимается начальное натяжение заклепок, наступа­ет их расстройство (ослабление). Это состояние заклепок обна­руживают существующими методами: отстукиванием молотком или по внешним признакам (ржавление, трещины в окрасоч­ном слое вокруг головок и т. п.). Наличие слабых заклепок свидетельствует об исчерпании ресурса соединения по его расстройству. Такое соединение нуждается в ремонте, за­ключающемся в замене слабых заклепок новыми или высо­копрочными болтами в дополнительной затяжке или замене болтов.

Таким образом, износ соединений является одним из важ­нейших факторов, влияющих на долговечность и надежность металлических пролетных строений мостов.

В пролетных строениях железнодорожных мостов в связи с высокой цикличностью и динамикой воздействия нагрузок из­нос заклепочных соединений проявляется наиболее ярко. Вначале этот процесс протекает сравнительно медленно, но интенсивность его растет по мере увеличения срока экс­плуатации. Это связано со спецификой работы конструкции. Ме­таллические пролетные строения железнодорожных мостов про­ектируются на длительные сроки службы. В связи с этим на­грузки, на которые рассчитывают пролетные строения, значи­тельно превышают обращающиеся в первые годы эксплуатации. Многие заклепочные соединения в начальный период эксплуа­тации могут работать в I и в начале II стадии, характеризую­щихся пониженной деформативностью, а следовательно, и меньшей интенсивностью износа. Дальнейшее повышение на­грузок, интенсивности, а в отдельных случаях и скоростей движения поездов приводит к значительному ускорению износа соединений.

Это необходимо учитывать при прогнозировании сроков службы клепаных строений, их ремонта и усиления.

2. Механизм и закономерности износа соединении

Работа заклепочных и болтовых соединений железнодорож­ных мостов характеризуется изменением действующих усилий в очень широком диапазоне при весьма большом числе циклов при проходе одного поезда. Это связано с непостоянностью подвижной нагрузки по длине и высокой динамичностью ее воздействия. Соединение испытывает взаимные сдвиги, изменя­ющиеся в широких пределах по своим значениям и размерам зон сдвига.

В реальных соединениях взаимные сдвиги могут достигать нескольких десятых долей миллиметра и в очень редких случа­ях, когда соединение расстроено, нескольких мил­лиметров. При этом в зависимости от значений взаимных сдвигов контактирующих поверхностей элементов происходит как обычный износ, так и особый вид износа, который назы­вают коррозией трения, контактной коррозией или фреттингом.

Вопросам обычного износа деталей машин при трении по­священо большое количество работ. Процесс износа при трении весьма сложен и пока недоста­точно изучен. Поверхности контакта при взаимных сдвигах под воздействием сил трения могут разрушаться различным обра­зом. Вид разрушения зависит как от свойств испытывающих трение тел, так и от внешних условий: нагрузки, скорости скольжения, температуры и др. Существует несколько класси­фикаций видов обычного износа. Так, например, различается 6 видов износа:

1) механические разрушения зацепля­ющихся неровностей; усталостные разрушения, происходящие из-за повторяющегося механического взаимодействия неровно­стей;

2) разрушения от наклепа и повышения хрупкости, возни­кающие вследствие деформации при истирании;

3) отслаивание образующихся пленок оксидов;

4) механические разрушения, обу­словленные молекулярным схватыванием;

5) фреттинг;

6) механические разру­шения неровностей вследствие высокой температуры трения.

В клепаных соединениях мостов, очевидно, име­ют место первые пять видов износа.

Обычный износ характеризуется тремя пе­риодами. В первый период (начального износа или приработ­ки), когда поверхности трения переходят от исходного состоя­ния к установившемуся, скорость износа изменяется, прибли­жаясь к постоянному значению, характерному для периода установившегося износа. Второй период (установившегося изно­са) характеризуется постоянной скоростью износа. Третий период (усиленного износа) связан с появлением зазоров в сопряжениях трущихся поверхностей. В связи с этим изменя­ются условия работы сил трения, что приводит к повышению скорости износа. Применительно к соединениям на заклепках третий период износа исключается. На скорость износа при сухом трении в первую очередь оказывают влияние следующие внешние факторы: удельное давление на трущиеся поверхности; скорость их взаимного перемещения; температура; коррозия и качество образующихся поверхностных пленок; при­сутствие абразивов, их качественная и' размерная характери­стики; степень и характер удаления продуктов износа; началь­ное состояние поверхности и др.

Интенсивность обычного износа может значительно изменяться в зависимости от скорости скольжения. Строго говоря, и между нормальным давлением на контактах скольжения и интенсивностью износа не имеется линейной за­висимости. При трении скольжения изменение скорости отно­сительного перемещения поверхностей в больших диапазонах вызывает постепенно развивающиеся изменения структур­ного и фазового состояния металла поверхностных слоев, переходящие при определенных скоростях скачкообразно в ко­ренные изменения состояния и свойств металла. В связи с этим при различных скоростях взаимных перемещений трущихся деталей из одних и тех же материалов и при одинаковом удельном давлении имеют место разные виды износа. Иссле­дования влияния скоростей относительного перемещения и удельного давления на изнашивание различных металлов пока­зали, что при небольших скоростях скольжения трущихся по­верхностей (0,005—0,25 м/с) наблюдается почти линейная за­висимость между износом и нормальным давлением.

В заклепочных соединениях мостов даже при очень высоких скоростях движения поездов и предельных сдви­гах скорость взаимного смещения соединяемых элементов не превышает нескольких миллиметров в секунду. Следовательно, в случае обычного установившегося износа закле­почных соединений можно ожидать, что между интенсивностью износа и нормальным давлением на контактирующих поверх­ностях имеется зависимость, близкая к линейной.

Интенсивность износа зависит и от других факторов. Согла­сно исследованиям интенсивность износа прямо пропор­циональна удельному давлению и обратно пропорциональна твердости. Большое влияние на нее оказывает характер обра­ботки трущихся поверхностей: чем чище, ровнее поверхность, тем меньше износ. При многократно повторяющихся нагрузках износ зависит от числа циклов. В этом случае материал мо­жет отделяться вследствие усталостного разрушения. Это явле­ние названо фрикционной усталостью. В заклепочных соединениях мостов, где имеется ярко выраженное, многократно повторяющееся смещение поверхностей контакта, этот вид износа составляет значительную долю общего износа.

Под коррозией трения понимается повреждение, возникаю­щее в тех случаях, когда две контактирующие поверхности, но­минально неподвижные одна по отношению к другой, периоди­чески немного смещаются по отношению друг к другу. Счита­ют, что минимальное значение проскальзывания, при ко­тором начинается коррозия трения, имеет порядок межатомного расстояния в твердом теле. Верхняя граница проскальзывания, которая отделяет коррозию трения от обычного износа, не ус­тановлена. Коррозия трения по внешнему виду характеризует­ся появлением в зонах контакта продуктов коррозии краснова­то-коричневого оттенка. Следует отметить, что появление тако­го цвета у кромок поверхностей контакта клепаных соединений является одним из основных признаков износа со­единения.

Некоторые специалисты счита­ют, что коррозия трения отличается от обычного износа по ус­ловиям возникновения двумя особенностями; скоростью взаим­ного перемещения поверхностей контакта, которая в случае коррозии трения много меньше, чем при обычном износе, и тем, что при коррозии трения соприкосновение между контак­тирующими поверхностями никогда не нарушается. Посколь­ку в заклепочных соединениях взаимное смещение соединяемых элементов в нормальных условиях не превышает нескольких десятых долей миллиметра при скорости смещения в несколько миллиметров в секунду, то их износ, очевидно, происходит главным образом в условиях коррозии трения.

Кроме того, обычный износ в заклепочных сое­динениях, если он имеет место, происходит в условиях, близ­ких к коррозии трения, и закономерности его развития, как показывают исследования, не имеют существенного отличия от коррозии трения.

Явление коррозии трения согласно может быть сопря­жено с различными процессами. Удаление металла с трущих­ся поверхностей в виде мелких частиц происходит механически или вследствие схватывания с противоположной поверхностью с последующим отрывом этих спаек. Последующее окисление, если оно происходит, не играет решающей роли в этом про­цессе. Этот процесс износа линейно зависит от взаимного сдви­га при постоянном нормальном давлении. Оторванные с по­верхности частицы металла, окисляясь, впоследствии превра­щаются в абразивный порошок, который может способствовать дальнейшему износу, особенно в том случае, когда окислы очень тверды (например, алюминия и хрома). Для мягкой стали, у которой окислы мягкие, слой порошка определенной толщины, наоборот, может способствовать уменьшению износа. Экспери­ментами на стальных деталях показано, что в результате пер­воначального износа частицы металла (окисленные и неокисленные) накапливаются между поверхностями контакта и раз­деляют их. Дальнейший износ происходит при наличии трущихся частиц. После образования из частиц равновесного слоя определенной толщины выход продуктов износа за пре­делы контактирующих поверхностей должен равняться скоро­сти образования новых частиц внутри. При этом равновесный слой частиц начинает играть защитную роль, как бы частично поглощая движение между трущимися поверхностями. По ре­зультатам исследований, толщина равновесного слоя между трущимися поверхностями стальных деталей имеет раз­мер около 1 мк.

Это важно для оценки интенсивности износа закле­почных и соединений. В клепаных соеди­нениях элементов из мягкой стали при условиях, неблагопри­ятных для удаления продуктов износа, процесс износа будет, очевидно, замедляться и, наоборот, при благоприятных усло­виях — ускоряться. Здесь следует обратить внимание также на то, что при образовании окислов металла объем увеличи­вается, а это может приводить к расклиниванию соединяемых элементов, что в клепаных соединениях играет по­ложительную роль, уменьшая вредное влияние износа.

Для оценки износа клепаных соединений необ­ходимо знать закономерности его развития в зависимости от действующих факторов.

Размер износа при постоянной амплитуде взаимных переме­щений контактирующих поверхностей практически линейно за­висит от нормального давления. Так, опытами Райта установ­лена линейная зависимость между объемом износа и нормаль­ным давлением в пределах от 0 до 14 МПа, а опытами Фена и Улига была получена почти линейная зависимость между этими параметрами до давления 387 МПа .

Степень повреждения при коррозии трения возрастает при­близительно пропорционально числу циклов, причем для первых 100 тыс. циклов наклон кривой (скорость износа) немного боль­ше, чем "для последующих. По своему характеру эти кри­вые напоминают кривые, полученные в опытах с обычным из­носом при выяснении степени повреждения поверхностей. При этом важно отметить, что в этих опытах на мягкой стали уста­новлена линейная зависимость между износом и взаимными сдвигами при амплитудах от 0,01 до 0,229 мм (наиболее ха­рактерных для заклепочных соединений).

На скорость износа оказывает влияние газовая среда. Аг­рессивная газовая среда способствует ускоренному развитию повреждения. Как показали исследования, в сухих условиях металл в результате коррозии трения повреждается значитель­но больше, чем во влажных, и повреждение стали на воздухе линейно убывает с ростом влажности вплоть до 90% .

Таким образом, при количественной оценке износа закле­почных соединений с небольшим допущением мож­но не разделять процесс на обычный износ и коррозию трения, приняв для них общие закономерности. Эти закономерности можно сформулировать так: износ соединения определенного типа по контактирующим поверхностям линейно зависит от нормального давления и суммарного значения взаимных пере­мещений.

Несмотря на сравнительно простые зависимости, расчет из­носа соединений железнодорожных мостов связан с рядом серь­езных трудностей. По мере износа контактирующих поверхно­стей будут уменьшаться начальные усилия в заклепках, что вызовет, с одной стороны, увеличение взаимных пе­ремещений соединяемых элементов, а с другой — снижение нормального давления в зонах контакта. В заклепочных со­единениях этот процесс сопровождается переходом из одной стадии работы в другую, а это в свою очередь увеличивает деформативность соединения .особенно при работе его на знако­переменные усилия. По мере увеличения износа снижается уровень силовых воздействий, способных вызвать перемещения, т. е. все меньшие силовые изменения в прикрепляемых элемен­тах будут вызывать износ соединения.

Особо следует отметить роль различного рода колебаний элементов, в том числе и высокочастотных, в развитии износа соединений. Колебания элементов и конструкций в целом вы­зывают дополнительные взаимные перемещения в соединении, т. е. увеличивают суммарные взаимные перемещения контак­тирующих поверхностей. Влияние колебаний легко учесть пу­тем суммирования основных перемещений с перемещениями от колебаний.

Агрессивность среды, действующей на соединения стальных пролетных строений мостов, может быть вызвана наличием агрессивных газов (раньше топочного газа паровозов, теперь отработанных газов тепловозных дизелей). Плотность такой среды по отношению к соединениям пролетных строений непо­стоянна, а потому различна и степень ее влияния. Например, в пролетных строениях с ездой понизу наибольшему воздейст­вию газов подвергаются верхние узлы. Агрессивные среды могут быть созданы также вследствие загрязнения соединений химическими продуктами, перевозимыми по железной дороге. В этом случае в неблагоприятных условиях оказываются узлы и соединения, расположенные ближе к проезжей части пролет­ных строений.

Многолетние наблюдения за эксплуатируемыми железнодо­рожными мостами показывают, что в элементах (узлах), подверженных большей вибрации, при прочих равных условиях чаще наблюдается расстройство заклепок. В совер­шенно одинаковых пролетных строениях, расположенных на од­ном участке пути, но в силу каких-либо обстоятельств эксплуа­тируемых при различных скоростях движения, более высокая степень износа заклепочных соединений всегда со­ответствует большей скорости поездов. Практика эксплуа­тации мостов дают основание утверждать, что скорость движе­ния поездов оказывает значительное влияние на износ закле­почных соединений. Это влияние должно учиты­ваться при оценке долговечности и надежности металлических мостов в связи с непрерывно возрастающими скоростями дви­жения.