11. Характеристика параметров характеризующих интенсивность изнашивания.

Характеристика эксплуатационных факторов. Из эксплуатационных факторов наиболее важными являются характер производимых работ и режимы использования машины. От этих факторов зависят температурный, нагрузочный и скоростной режимы работы сопряжений, определяющие условия трения и изнашивания деталей. К таким условиям относят:

•Управляющие воздействия: регулировочные, крепежные и смазочные операции, — проводимые в процессе технического обслуживания, их своевременность

•Периодичности проведения технического обслуживания, от которых во многом зависит интенсивность изнашивания деталей машины.

•Сложные климатические условия: повышенная влажность; запыленность окружающей среды; низкие или повышенные температуры окружающего воздуха.

•Соответствие смазочных материалов, рабочих жидкостей, конструкции сборочных единиц условиям эксплуатации.

•Состояние топлив, смазочных материалов и рабочих жидкостей, применяемых в соответствующих системах машин.

•Дорожные условия: состояние дорожного покрытия; плотность тарнспортных потоков машин; рельеф местности и другие.

Характеристика конструктивных факторов и их влияние на износ. Важнейшими конструктивными факторами, определяющими характер и интенсивность изнашивания элементов машин, являются кинематика и динамика работы механизма.

От кинематики относительного перемещения рабочих поверхностей деталей сопряжения зависят вид трения и условия изнашивания.

Динамика работы механизма обусловливает характер нагружения и формирования полей внутренних напряжений в материалах деталей. Соотношение материалов деталей сопряжения оказывает решающее влияние на их фрикционное взаимодействие и, таким образом, на долговечность машины.

В качестве основных мероприятий по повышению износостойкости можно выделить следующие основные направления:

•совершенствование конструкции машин и механизмов и оптимальный подбор материалов пар трения;

•использование антифрикционных материалов с противоизносными свойствами;

•применение технологий, улучшающих качество поверхностей трения; разработка присадок к смазочным материалам;

•создание восстанавливающих антифрикционных препаратов.

Решение этих вопросов позволяет обеспечить требуемую прочность и долговечность деталей.

Фактически существует только несколько правил, позволяющих улучшить конструкцию узлов трения:

–это правило несовпадения твердости вала и подшипника скольжения, –правило максимального различия размеров трущихся поверхностей;

–правило снижения концентрации контактных напряжений.

Правило несовпадения твердости вала и подшипника скольжения заключается в том, что материал вала должен быть тверже материала подшипника. В такой паре поверхность вала практически не изнашивается, поскольку является высокопрочной и твердой, а поверхность вкладыша пластична и не боится деформаций.

Правило максимального различия размеров структурных составляющих материала основано на том, что в прямой паре вал - втулка, структурные элементы, например, вала из стали имеют размеры в долях микрометра – 10^-6 мм, а втулки из бронзы – 10^-4 мм. При подобном подборе, разнородность свойств и размеров структуры трущихся поверхностей предотвращает и снижает действие схватывания и задира.

Правило снижения концентрации контактных напряжений предусматривает уменьшение влияния деформаций узлов трения за счет повышения точности и жесткости деталей и применения задаваемой податливости.

Одним из методов борьбы с износом является метод избирательного переноса при трении или «эффект безызносности», открытый Д. Н. Гаркуновым, И. В. Крагельским.

Явление избирательного переноса определяют как вид фрикционного взаимодействия, характеризуемый в основном молекулярной составляющей сил трения. Для этого явления наиболее характерно образование защитной пленки, в которой реализуется особый механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам. Эта пленка повышает износостойкость поверхностей на два порядка и снижает силы трения на один порядок по сравнению с аналогичными условиями трения при граничной смазке. К недостаткам метода избирательного переноса следует отнести невозможность его использования в условия эксплуатации

Конструктивные методы повышения износостойкости широко применяются на стадии проектирования механизма, и именно они определяют его долговечность. К недостаткам конструктивных методов следует отнести экономические аспекты и ограничения по массогабаритным показателям изделий.

Характеристика технологических факторов и их влияние на износ. Из технологических факторов основными являются методы обработки поверхностей и качество сборки сопряжений.

Метод обработки рабочих поверхностей деталей определяет структуру материалов и их физико-механические свойства, наличие остаточных напряжений,

микрогеометрию поверхностей трения.

От качества сборки сопряжений зависит размерная точность механизма, а также количество технологических загрязнений

Характеристика субъективных факторов и их влияние на износ. От субъективных особенностей оператора существенно зависит интенсивность изнашивания элементов машин. От квалификации оператора зависят не только усилия, прикладываемые к рычагам управления механическими передачами, частота и продолжительность включения механизмов, но и техническое состояние машины.

Своевременное и качественное проведение мероприятий ежесменного обслуживания машины квалифицированным оператором является необходимым условием наиболее полной реализации уровня надежности, заложенного в конструкцию машины при ее проектировании и производстве.

Для выявления наиболее значимых, определяющих факторов проводят различные исследования: эксплуатационные, полигонные, лабораторные, экспертные.

Влияние каждого фактора на интенсивность изнашивания в различных условиях неравнозначно.

Так, кислород воздуха оказывает решающее влияние на интенсивность разрушения поверхностей металлических деталей в условиях окислительного изнашивания, но в условиях трения в абразивной среде к числу значимых факторов не относится.

Однако из общей совокупности можно выделить ряд факторов, влияние которых проявляется достаточно ярко при любом виде изнашивания.

12. Влияние на процесс износа: температуры поверхности трения; скорости относительного перемещения и нагрузок; структуры материала и качества поверхности; эксплуатационных факторов.

Влияние на процесс износа: температуры поверхности трения

Взаимодействие рабочих поверхностей деталей при трении сопровождается интенсивным тепловыделением.

На микроплощадках фактического контакта в процессе трения возникают температурные вспышки, достигающие 1000 °С.

Вследствие теплопроводности материалов трущихся деталей тепло, выделившееся при трении, распределяется на несколько тепловых потоков, направляемых внутрь каждой из взаимодействующих деталей и в окружающую среду.

Условия теплообмена деталей трения с окружающей средой, теплофизические свойства материалов, параметры профилей рабочих поверхностей деталей и режим работы сопряжения в совокупности определяют среднюю температуру трущихся поверхностей, которая в значительной степени влияет на коэффициент трения, характер изнашивания деталей и долговечность сопряжения.

Закономерность изменения средней температуры трущихся поверхностей деталей в процессе работы можно получить на основе закона сохранения энергиив единицу времени dτ. Эта теплота расходуется на нагрев детали и окружающей среды.

где Фт— тепловой поток, Вт; Фт=Q/τ (Q— количество теплоты, Дж; τ — время нагрева детали, с); С — общая теплоемкость детали, Дж/К; А — тепловой поток со всей поверхности охлаждения детали при изменении температуры на 1°, Вт/К, А = α S (α— коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К); S — площадь поверхности теплоотдачи, м²).

Продолжительность нагрева рабочей поверхности

где t_°—начальная температура рабочей поверхности детали; – постоянная времени нагрева имеет размерность времени и определяет продолжительность достижения установившегося максимального значения температуры на поверхности детали при полном отсутствии теплоотдачи, т. е. при А = 0.

Так как установившаяся максимальная температура рабочей поверхности

не зависит ни от массы детали, ни от начальной температуры, а определяется только количеством теплоты, выделяющейся в единицу времени (тепловой поток), то изменения средней температуры трущихся поверхностей деталей может быть записано

Для условий отсутствия теплоотдачи температура трущихся поверхностей деталей может быть определена

Влияние температуры поверхности трения на износ.

Износ и интенсивность изнашивания рабочих поверхностей деталей сопряжений для большинства материалов с возрастанием температуры увеличиваются.

Это объясняется тем, что при значительном повышении температуры происходит нарушение правильности строения кристаллической решетки на поверхности металла. Врезультате образуются свободные узлы, способствующие схватыванию поверхностей.

При одновременном воздействии нагрузки и температуры повышается подвижность атомов и вместе с тем возрастает вероятность схватывания и повреждения поверхности.

Механическая составляющая силы трения металлических поверхностей при повышении температуры изменяется в основном вследствие уменьшения твердости материала.

Твердость металлических материалов при повышении температуры описывается экспоненциальной зависимостью:

где Н₀ — твердость материала при исходной температуре; β — температурный коэффициент; ∆t — приращение температуры при нагревании поверхности вследствие трения.

Таким образом, при повышении температуры происходит снижение твердости трущихся поверхностей, сопровождающееся интенсификацией деформирования и износа неровностей контактирующих поверхностей.

Рис.5.18.Зависимость интенсивности изнашивания манжетных уплотнений от температуры

Интенсивность изнашивания манжетных уплотнений быстро вращающихся валов зависит от температуры и проиллюстрировано на рис. 5.18. Аналогичное влияние повышение температуры оказывает и на интенсивность изнашивания металлических деталей.

Влияние скорости относительного перемещения на износ. В процессе работы сопряжения характер изнашивания деталей определяется сочетанием нагрузки и скорости. В общем виде зависимость износа от этих факторов для сопряжения вал—подшипник описывается выражением:

где-А₁–параметр, характеризующий работу трения; Р–нормальное давление; υ–относительная скорость перемещения поверхностей; f–коэффициент трения.

Влияние скорости v скольжения на интенсивность изнашивания носит сложный характер (рис. 30). Она поразному проявляется при изнашивании мягких (рис. 30, а) сталей.

Рис. 30. Влияние скорости скольжения на интенсивность изнашивания сталей: а-при малой твердости и трении без смазочного материала ; б-при большой твердости и трении без смазочного материала

Экспериментальные исследования с целью выявления зависимости ∆h = φ(υ) при р = const, t = const показали, что влияние скорости на износ незначительно.

При малой твердости и трении без смазочного материала (кривая 1) имеется два участка (АБ и ВГ), соответствующие окислительному изнашиванию, и два участка (БВ и ГД) — изнашиванию при заедании.

При большой твердости и трении без смазочного материала зависимость интенсивности изнашивания от скорости (рис. 30, б) имеет иной характер.В этом случае окислительное изнашивание сохраняется вдиапазоне скоростей 0 — 2 м/с (кривая 3, участок АБ ), а изнашивание при схватывании происходит со значительно меньшей интенсивностью (участок БВ).

При трении со смазочным материалом(кривая 2) вид изнашивания остается неизменным при изменении скорости скольжения в широком диапазоне (0 — 220 м/с).

Для чистых металлов (медь, алюминий, молибден, вольфрам) характерно некоторое снижение интенсивности изнашивания с увеличением скорости относительного перемещения поверхностей. Это вызвано уменьшением адгезионной составляющей силы трения (рис. 5.22).

Рис 5.22. Зависимость интенсивности изнашивания от скорости относительного перемешения поверхностей

Повышение скорости вызывает увеличение температуры поверхности трения, следствием чего является соответствующее изменение интенсивности изнашивания. Кроме того, при повышении скорости скольжения возникают микроскопические пятна повышенной температуры.

При малых скоростях температура этих пятен не оказывает влияния на свойства материала детали, так как теплота быстро отводится с поверхности трения.

При повышении скорости относительного перемещения условия теплообмена ухудшаются, температура в тонких поверхностных слоях возрастает до температуры плавления металла.

При очень высоких скоростях скольжения на поверхности деталей образуется микроскопический слой расплавленного металла, и процесс трения принимает характер сдвига жидкого слоя относительно твердой основы. В результате этого наблюдается уменьшение сил трения и интенсивности изнашивания

Для тугоплавких металлов (типа вольфрама) этот эффект проявляется меньше, поэтому меньше меняется I п р и увеличении скорости скольжения υ.