4.5. Процесс изнашивания как основной фактор потери работоспособности деталей и узлов тс мск

Основными постоянно действующими причинами изменения технического состояния строительных технологических машин при их эксплуатации являются изнашивание, пластические деформации, усталостные разрушения, коррозия, а также физико-химические изменения материала деталей и старение. Срок службы многих деталей строительных машин определяется их износом, поэтому для повышения долговечности машин необходимо обеспечить высокую износостойкость её деталей.

Повышенные износы нарушают нормальное взаимодействие деталей, вызывают значительные дополнительные нагрузки на них, удары в сопряжениях и вибрации, которые могут привести к аварийным разрушениям.

Износ – это результат процесса изнашивания деталей, выражающийся в изменении их размера, формы, объема и массы. Изнашивание – это процесс скоростного разрушения, сопровождающийся отделением материала с поверхностей деталей и накопление остаточных деформаций в деталях при их трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы взаимодействующих деталей.

Коррозионно-механическим изнашиванием М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [43, 44] называют механическое изнашивание, усиливаемое явлением коррозии. При сочетании коррозионных воздействий различного характера с механическим воздействием различных видов возникает коррозионно-механическое изнашивание разнообразных типов.

В результате изнашивания деталей понижается мощность двигателя, увеличивается расход топлива и смазочных материалов; возникают недопустимые шумы при работе механизмов, а при изнашивании, например, деталей рулевого управления и подвески базы–автомобиля, ухудшается его управляемость и снижается безопасность движения.

Укажем некоторые примеры изнашиваний.

Типичный пример – заклинивание коленчатого вала двигателя автомобиля – проворот вкладышей при нарушении работы системы смазывания двигателей.

В данном случае основной причиной является механическое изнашивание соприкасающихся поверхностей деталей при малых колебательных движениях изнашивание, то есть фреттинг.

При этом если под воздействием агрессивной среды на поверхностях сопряженных деталей возникают окислительные процессы, то происходит изнашивание за счет процессов фреттинг – коррозии.

В исследованиях МАДИ установлено, что 47,5 % партии зубчатых колес коробок передач грузовых автомобилей выбраковывались из-за износа зубьев, 32,5 % – из-за выкрашивания рабочих поверхностей зубьев, 20 % – по прочим причинам (поломки зубьев, износ шлицев и т. п.) [16].

Некоторые зубчатые колеса выбраковывались по двум основным признакам. Во–первых, из-за значительного рассеивания износов, наблюдаемого в эксплуатации, что объясняется чрезмерно широкими допусками на микро– и макрогеометрию деталей. Во-вторых, из-за нестабильности технологии изготовления некоторых деталей и другими причинами.

Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала деталей и переноса его с одной поверхности на другую, что приводит к появлению задиров на рабочих поверхностях деталей, к их заклиниванию и разрушению.

Такое изнашивание происходит при возникновении местных контактов между трущимися поверхностями, на которых вследствие чрезмерных нагрузок и скорости, а также недостатка смазки происходит разрыв масляной пленки, сильный нагрев и «сваривание» частиц металла.

Подобное изнашивание может происходить, например, в местах контакта вкладышей шеек коленчатого вала и их постелей в блоке цилиндров двигателя автомобиля и крышках подшипников.

Исследуем некоторые процессы и факторы, влияющие на износ и работоспособность детали машин.

Оценка реального состояния поверхности и исследование процессов износа является сложной задачей. Наиболее широкое распространение в отечественной и в зарубежной практике получила признание молекулярно–механическая теория трения и износа [44].

Согласно этой теории трение обусловлено преодолением адгезионных связей между трущимися поверхностями и деформированием тонких поверхностных слоев твердых тел.

Адгезионные связи, являющиеся результатом различного рода молекулярных взаимодействий, образуются в местах контакта трущихся поверхностей. При этом вследствие волнистости и шероховатости поверхностей реальных деталей общая площадь фактического контакта может составлять весьма малую часть видимой площади трения.

Адгезия не только обусловливает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига трущихся поверхностей, но может привести и к явлениям схватывания, вырывам материала с поверхности трения.

Часто на поверхностные слои материала трущихся деталей воздействуют посторонние абразивные частицы как минерального, так и синтетического происхождения. Поведение этих частиц при приложении нагрузки отличается от поведения контактируемых микронеровностей, так как у них больше степеней свободы. К тому же в процессе деформирования на участке фактического контакта повышается температура, величина которой зависит от целого ряда факторов (нагрузки, скорости скольжения, наличия и качества смазки, величина шероховатости поверхностей).

Изменение температуры может приводить к изменениям свойств поверхностных слоев трущихся пар, например вызвать отпуск закаленной стали, плавление частиц связующего материала во фрикционных накладках. В результате воздействия внешних условий (воздуха, масла и других) в зоне фрикционного контакта может также происходить изменение физико-механических свойств материалов деталей. Под воздействием поверхностно–активных веществ, находящихся в смазке при высоких давлениях, может наблюдаться снижение прочности поверхностных слоев трущихся пар.

Это обусловливается компенсацией поверхностных молекулярных сил и уменьшением поверхностного напряжения. Внешняя среда может также образовывать на поверхностях трения окисные пленки. Прочность этих пленок обычно меньше прочности основного металла, поэтому последующее разрушение происходит не по глубине материала, а по поверхностным слоям.

Таким образом, чаще всего различают следующие три стадии развития процесса износа: взаимодействие поверхностей; изменение под влиянием сил трения поверхностных слоев контактирующих материалов; разрушение поверхностей и отделение частиц износа.

Виды процессов при трении и изнашивании. В теории и на практике различают следующие процессы, сопровождающие трение и изнашивание [16, 26, 38] деталей машин.

Царапание. Вдавившаяся твердая частица извне воздействует на более мягкий материал при скольжении и подминает под себя микрозоны, оттесняя материал в стороны, оставляя царапину. Обычно царапины располагаются параллельно пути скольжения. Царапину может оставить и перекатывающаяся частица, при этом направление царапины может не соответствовать направлению движения детали. На участках с многократно пластически деформируемым металлом могут образовываться также трещины, с развитием которых частички материала отделяются.

Помимо адгезионного взаимодействия в зонах фактического контакта и более твердые (жесткие) выступы могут внедряться в сопряженное тело детали. При относительном скольжении поверхностей перед каждым из жестких выступов образуется валик и материал подминается и раздвигается в стороны. Адгезионные связи разрушаются и формируются вновь. Это смешанные процессы, но среди них часто преобладает деформирование.

Деформирование материала в зависимости от величины развивающихся напряжений при взаимодействии неровностей и внедрении абразивных частиц может быть упругим или пластическим и даже вызывать разрушение

Отслаивание – материал при пластическом течении может оттесняться в сторону от поверхности трения и после исчерпания способности к дальнейшему течению отслаиваться.

Если при линейном и точечном контакте тел, а также циклическом нагружении напряжения по глубине слоя больше предела усталости материала, то при этом могут образовываться трещины, приводящее к чешуйчатому отделению материала.

Выкрашивание возникает обычно в условиях качения со скольжением или без него и характеризуется образованием ямок на поверхности трения. Непосредственному выкрашиванию предшествует образование и развитие в малых объемах поверхности контакта трещин, ограниченных от остального материала. Выкрашивание может происходить при многократном взаимодействии контактирующих поверхностей вследствие превышения предела их поверхностной выносливости.

Заедание характеризуется возникновением и развитием повреждений поверхностей трения вследствие схватывания трущихся пар и переноса материала с поверхности одной трущейся детали на другую.

Схватывание (локальное соединение двух тел) может происходить в определенных условиях вследствие действия молекулярных сил.

Перенос материала заключается в том, что материал одного тела соединяется с другим и, отрываясь от него, остается на поверхности второго.

Перенос материала детали может осуществляться при однократном воздействии.

Таким образом, теория и практика показывают, что основными причинами изменения свойств деталей и узлов являются процессы трения, внешние воздействия и воздействия окружающей среды. Причем важнейшими являются контактные процессы, обусловленные процессами трения. Для конкретных условий трения немаловажно также установить количественную зависимость износа от работы трения. Хотя в действительности работа, расходуемая на изнашивание трущихся поверхностей, составляет лишь небольшую долю всей работы трения.

Иногда в одном и том же механизме наблюдаются различные виды трения. Так, в автомобильном двигателе внутреннего сгорания стенки цилиндров в нижней части смазываются весьма обильно, вследствие чего при движении поршня на середине хода трение колец и поршня о стенку цилиндра приближается к жидкостному трению.

При движении поршня вблизи верхней мертвой точки (особенно при такте впуска) условия смазки колец и поршня резко ухудшаются, так как оставшаяся на стенках цилиндра масляная пленка претерпевает изменения под воздействием высокой температуры продуктов сгорания.

Недостаточно и плохо обычно смазывается верхняя часть цилиндра. После пуска холодного двигателя возможно граничное и даже сухое трение компрессионных колец о стенки цилиндра, что является одной из причин повышенного износа цилиндров в верхней части.

При любом трении (как сухом, так и со смазкой) изнашивание детали из одного и того же материала и разных конфигураций может изменяться в 1000 и более раз из-за изменения внешних условий.

Степень изнашивания поверхностей трения в большой мере зависит от изменения скорости (которые бывают малые, средние, большие) на поверхности трения.

При прочих равных условиях это может привести к переходу от трения без схватывания к трению, сопровождаемому схватыванием и глубинным вырыванием частиц материала из детали.

Виды и механизмы изнашивания. Русские ученые М. М. Хрущов и М. А. Бабичев все виды изнашивания при нарушении фрикционных связей предложили делить на две группы: механическое изнашивание и молекулярно–механическое изнашивание. При этом различают адгезионное, тепловое, окислительное, эрозионное, а также изнашивание при заедании, фреттинге и фреттинг – коррозии.

Фундаментальными исследованиями установлено, что наиболее часто встречаются следующие основные виды механического изнашивания: абразивное, изнашивание вследствие пластического деформирования, усталостное изнашивание и изнашивание при хрупком разрушении [43, 44].

Выше отмечалось, что абразивным изнашиванием называют такое изнашивание поверхности детали, которое происходит в результате механического режущего, царапающего или давящего действия твердых тел или частиц. При этом виде изнашивании часть материала детали удаляется с изнашиваемой поверхности в виде очень мелкой стружки или в виде частиц ранее деформированного локального участка поверхностного слоя при пластически деформированной царапине, или в виде осколков, отделяющихся при однократном или многократном воздействии. Абразивное изнашивание является следствием режущего, царапающего и выглаживающего воздействия попавших между трущимися поверхностями сопряженных деталей твердых абразивных частиц (пыль, песок, стружки, шлам).

Основными составляющими пыли являются: двуокись кремния SiO₂, окись железа Ре₂О₃ и в значительно меньшем количестве – соединения Са, Мg, Nа и других элементов. Наиболее распространена в пыли двуокись кремния SiO₂, содержание которой в зависимости от состава почвы и скорости ветра изменяется в пределах 65 – 95 %.

Удельный вес кремния 24,5 – 27,4 кН/м³. Микротвердость частиц SiO2 высока и находится в пределах 10780 – 11700 МПа (1100 – 1200 кгс/мм²). Из абразивных частиц, попадающих из воздуха вместе с пылью, наибольшее изнашивающее действие оказывают частицы кварца.

Абразивные частицы могут попасть на поверхности трения из продуктов износа вместе с пылью, топливом и смазкой, внедриться в поверхность при обработке ее абразивным инструментом.

Твердые изнашивающие частицы могут оказаться и структурными составляющими одного из сопряженных материалов. Эти частицы могут быть разной формы, а расположены различным образом (гранями или ребрами) относительно трущейся поверхности.

При этом резать или снимать стружку могут только некоторые из них, основная же их часть пластически деформирует более мягкий материал, оставляя на нем следы в виде рисок, царапин или канавок. Выпуклости по краям таких пластически выдавленных царапин снимаются другими абразивными зернами.

Поэтому несвоевременная замена масла в двигателе или, например, масляного фильтра, а также несвоевременная замена поврежденных защитных чехлов или смазки в шарнирных соединениях также вызовут абразивное изнашивание, но в меньшей степени.

Попадая между трущимися деталями открытых узлов трения (например, между тормозными колодками и дисками или барабанами, между листами рессор автомобиля), твердые абразивные частицы резко увеличивают их поверхностный износ.

В целом выделяют следующие виды абразивного изнашивания: микрорезание – отделение от поверхностного слоя стружки и царапание.

Микрорезание возникает при внедрении на достаточно большую глубину твердой частицы, что встречается редко (при попадании на сопряженные поверхности абразива или продукта износа).

Абразивному изнашиванию подвержены очень многие детали строительной технологической машины. Особенно подвержены ему детали двигателей внутреннего сгорания машин, работающих на строительных площадках объекта, в карьерах или движущихся колоннами машин по пыльным полигонам и проселочным дорогам. Устранить изнашивание этого вида можно применением совершенной фильтрации воздуха и циркулирующей смазки, что сложно выполнимо.

Абразивное изнашивание наблюдается иногда и в зубчатых передачах автомобилей. В закрытых механизмах (например, в кривошипно-шатунном механизме двигателя) данный вид трения проявляется в значительно меньшей степени. Он является следствием попадания в смазочные материалы различных абразивных частиц и накопления в них продуктов износа.

Изнашивающие абразивные частицы могут быть минерального происхождения, металлическими частицами, продуктами окисления смазочных материалов или твердыми структурными составляющими одного из сопряженных материалов машины.

Характерными признаками абразивного износа элементов передач являются гладкая матовая поверхность, образование в некоторых случаях тонких царапин, а также изменение размеров частей деталей.

Возникающие царапины отличаются от задиров внешним видом: они имеют сглаженный профиль без характерных для задиров рваных очертаний дна и стенок.

Опыты показывают, что изношенная поверхность, например зубьев шестерен, начинается у самой низкой точки контакта зубьев и заканчивается у полюсной линии, затем вновь начинается у полюсной линии и распространяется до самой высокой точки контакта в однопарном зацеплении. Такой вид износа получается потому, что вышеуказанные участки подвергаются наибольшим нагрузкам, которым сопутствует трение скольжения.

При абразивном износе на полюсной линии и возле самой низкой линии контакта остаются хребты. Причем износ не ограничивается одной зоной на поверхности зуба, а распространяется по всей его длине.

В месте расположения выступа у полюсной линии по мере износа значительно увеличиваются контактные нагрузки, под влиянием которых наступает быстрое усталостное разрушение металла в этой зоне с последующим выкрашиванием частиц зуба и его разрушением Скорость абразивного износа составляет от 0,5 до 50 мкм/ч.

В строительных машинах используется много пластичных материалов, в том числе, сплавов. При значительных контактных напряжениях и повышенных температурах происходит локальное и поверхностно–приповерхностное постепенное перемещение слоев в направлении плоскостей скольжения, то есть происходит некоторое перемещение материала «внутри» самой детали. Это изнашивание вследствие пластического деформирования. При этом изменяются размеры трущихся деталей (подшипников скольжения), не вызывая уменьшения их массы. При разрушении масляной пленки процесс ускоряется [24].

Считается, что царапание без резания (пластическая деформация) происходит в том случае, когда вдавившийся участок или частица при скольжении оттесняет перед собой и в стороны материал, оставляя след на поверхности в виде углубления и навалов по краям царапины, которая обрывается при выходе внедрившегося элемента из зоны фактического контакта, раздроблении частицы или уносе ее за пределы области трения.

Таким образом, пластическое деформирование сопряжено с изменением формы при нагрузках выше предела текучести. Деформация и смятие могут распространяться на весь объем деталей или на его значительную часть. Смятие деталей может возникать при трении. Оно может быть вызвано передачей усилий, непосредственно не связанных со скольжением или качением поверхностей.

Пластическим деформациям подвергаются чаще всего незакаленные детали. Пластическая макродеформация может привести к изменению фактического контакта поверхности, в результате этого происходит местное увеличение давления и возникает заедание.

В тихоходных зубчатых передачах с колесами из стали с недостаточной твердостью возникают значительные пластические деформации с образованием канавок по полюсной линии у ведущих зубьев и наплывов у ведомых зубьев. Повышая вязкость масла, можно уменьшить силы трения и интенсивность пластической деформации.

Для деталей, которые входят в контакт с ударом (седла клапанов), характерно смятие рабочих поверхностей.

Изнашивание при хрупком разрушении происходит вследствие того, что поверхностный слой одной из сопряженных деталей в результате трения и сопровождающего его пластического деформирования интенсивно наклёпывается, становится хрупкими, затем разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал.

Явление повторяется несколько раз, и поэтому весь процесс изнашивания носит циклический характер [43].

Хрупкий поверхностный слой может также образоваться в результате структурных превращений при нагреве в процессе трения, изменения состава поверхностного слоя при взаимодействии металла со средой.

Усталостное изнашивание возникает при повторных, достаточно высоких напряжениях, испытываемых одним и тем же объемом материала, прилегающего к поверхности (особенно при знакопеременных напряжениях). Усталостное изнашивание состоит в том, что твердый поверхностный слой материала детали в результате трения и циклических нагрузок становится несколько хрупким и разрушается (выкрашивается), обнажая находящиеся под ним менее твердый и изношенный слой.

Усталостное разрушение деталей возникает при циклических нагрузках, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходит постепенное образование и рост усталостных трещин, приводящих при определенном числе циклов нагрузки к разрушению детали.

Такие повреждения возникают, например, у рессор и полуосей при длительной эксплуатации автомобиля в экстремальных условиях (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры).

Отметим также, что контактная усталость в детали определяется физико-механическими свойствами её материала, скоростью качения детали, удельным скольжением, режимом нагружения, вязкостью масла, способом подачи его к трущимся поверхностям, чистотой поверхности.

Так, при значительных нагрузках цементированные зубчатые колеса более склонны к усталостному выкрашиванию, чем колеса со сквозной закалкой. Большая скорость изнашивания этих колес обусловливается рассеиванием свойств в граничной зоне между закаленным слоем и сердцевиной.

Образующиеся на поверхности ямки в начальной стадии имеют V–образную форму и обычно располагаются на поверхности ножки зуба. При дальнейшей работе передачи начинают образовываться ямки и выше полюсной линии проникают через закаленный слой и вызывают его отслаивание от сердцевины.

Во многих случаях отслаивание развивается по вершине зуба и переходит на ненагруженную сторону зуба. За отслаиванием следует выкрашивание частиц металла, нарушается профиль зуба, что может приводить к поломке зуба в средней его плоскости.

В этих условиях в поверхностном слое возникают микротрещины и возможно местное поверхностное разрушение в виде выкрашивания.

Указанный вид изнашивания возникает на беговых дорожках колец подшипников качения, зубьях шестерен и зубчатых колес.

Обычно зубчатые колеса с таким видом износа могут оставаться на машине при условии, что они подвергаются периодическому осмотру. Время от появления первых ямок до катастрофического выкрашивания превышает время, требуемое для образования начального этапа выкрашивания.

В случае быстроходных передач уровень шума передачи по мере увеличения износа и выкрашивания повышается. Продолжающееся выкрашивание может приводить к поломке зубьев, когда площадь сечения становится недостаточной для передачи нагрузки.

Выкрашивание поверхности цементированных и закаленных колес может быть результатом длительных перегрузок, недостаточной толщины масляной пленки (из-за низкой вязкости масла) или обезуглероживания поверхности [43,44].

Обезуглероживание понижает твердость поверхности и является результатом неправильной термообработки

Этот вид изнашивания наблюдается при трении качения или при качении с проскальзыванием. Поверхностное выкрашивание в виде раковины, ямки, оспинки иногда называют питтингом.

Питтинг можно рассматривать как процесс контактной усталости поверхностей при их качении или при качении со скольжением. Необходимым условием образования питтинга является наличие в некоторых зонах металлического контакта на смазываемых поверхностях.

Механизм действия таков. В первичную трещину, распространяющуюся наклонно к поверхности в соответствии с направлением напряжения, проникает масло. Когда наружный конец трещины вступает в контакт с сопряженной поверхностью, выход для масла закрывается, и внутри трещины возникает высокое давление, распирающее трещину.

При повторных нагружениях трещина углубляется, а затем оттесняется к поверхности. При этом отделяется объем выкрашивающегося металла.

Под действием контактных переменных напряжений может произойти и другой вид повреждений – отслаивание, то есть отделение чешуек металла.

Отслаивание возникает в том случае, когда трещина, развивающаяся в глубине металла, выходит на поверхность.

Отслаивание твердого слоя наблюдается на цементованных, цианированных, азотированных и закаленных поверхностях. Разрушение происходит тем быстрее, чем больше по величине касательные напряжения. Отслаивание иногда удается ликвидировать увеличением толщины упрочненного слоя.

На процесс отслаивания влияют остаточные напряжения от термообработки и напряжения, возникающие при деформации детали. Значительное пластическое деформирование неупрочненной поверхности детали под действием контактной нагрузки также может явиться причиной отслаивания.

Для предотвращения усталостных разрушений и пластических деформаций следует строго соблюдать правила эксплуатации автомобиля, избегая его работы на предельных режимах и с перегрузками.

Адгезионное изнашивание происходит при схватывании металлов в процессе трения с образованием прочных металлических связей в зонах непосредственного контакта поверхностей. Из-за адгезии могут образоваться прочные связи не только между металлами, но и между металлом и неметаллом и между неметаллами.

Необходимым условием для образования узла схватывания на смазываемых поверхностях является разрушение масляной пленки. Прочность схватывания для данной пары тел зависят от площади сцепления и вида материалов [44].

При взаимодействии одинаковых металлов срез редко возникает по соединению, а обычно по глубине основной массы металла при значительном повреждении поверхностей. Этим объясняется то обстоятельство, что скольжение одноименных металлов приводит к значительному износу и большому коэффициенту трения.

Отечественными учеными установлено, что при адгезии возможны следующие виды разрушения узлов схватывания:

– срез по соединению, который происходит в том случае, когда прочность связи меньше прочности металлов пары трения. При этом с обеих поверхностей трения удаляется сравнительно мало металла, хотя коэффициент трения может достигать большой величины.

– срез в толще менее прочного металла, который наблюдается тогда, когда соединение прочнее одного из металлов. При этом частицы металла налипают на более твердую поверхность.

– срез в толще менее прочного металла (детали) с вырывом частиц из более прочного металла; он происходит, если соединение прочнее обоих металлов.

Наиболее сильная форма схватывания ведет к задирам или к заеданию, вследствие чего на поверхностях трения остаются широкие и глубокие борозды с неровными краями, наблюдаются вырывы металла, образуются наросты. В результате может наступить полное заклинивание деталей.

Изнашивание при заедании. Причиной данного вида разрушения поверхностей является образование высокой температуры в отдельных точках контакта металла трущихся пар, что приводит к свариванию касающихся выступов, вырывай металла с поверхности одной детали и наростам металла на поверхности другой детали.

С заеданием приходится сталкиваться в сильно нагруженных подшипниках, в зубчатых зацеплениях, в цилиндро-поршневой группе двигателей.

Заедание может возникать, например, при работе зубчатых передач. Начальное или легкое заедание здесь характеризуется обычно наличием мелких борозд или следов схватывания на поверхности зуба.

Если такие борозды мелкие и возникают в начальный период работы, то после процесса приработки они могут завальцовываться. Основной причиной заедания зубьев обычно является временное отсутствие смазки на поверхностях вследствие выдавливания ее при больших нагрузках и скоростях.

Задиры на рабочей поверхности цилиндров и на поршнях двигателей внутреннего сгорания могут происходить в результате искажения геометрической формы зеркала цилиндров, перегрева поршня, неудовлетворительной смазки, повышенного нагарообразования.

Задиры в виде неглубоких параллельных царапин располагаются вертикально на поверхности зуба. Эти задиры образуются обычно на головке зуба шестерни или на ножке зуба колеса. В зоне полюсной линии задиры обычно вначале отсутствуют, потому что в этой зоне нет скольжения [25].

Начальные задиры нередко образуют на поверхности трещины, которые, в свою очередь, приводят к выкрашиванию. В этом случае выкрашивание располагается либо выше, либо ниже полюсной линии в зависимости от того, является ли данное колесо ведущим или ведомым. Задиры бывают особо опасными в ускоряющих передачах. В таком случае развитие задиров направлено к самой тяжело нагруженной средней зоне поверхности зуба, причем возможности завальцовки задиров или дальнейшей исправной работы значительно уменьшаются.

Задиры могут образовываться независимо от твердости поверхности. При этом задиры на зубьях сравнительно мягких колес могут привести в дальнейшем к их абразивному изнашиванию. При высоких контактных нагрузках и отсутствии смазки схватывание часто наблюдается в опорах качения. В подшипниках качения задиры могут возникать в результате скольжения тел качения по дорожкам качения и по бортам колен.

В зубчатых передачах задиры образуются при разрыве масляной пленки вследствие чрезмерно высокой нагрузки или в случае, когда температура достигает критической величины для смазки данного сорта.

М. М. Хрущов и М. А. Бабичев рекомендуют, рассматривая изнашивание при схватывании, выделять в особый вид тепловое изнашивание, которое называют изнашиванием при схватывании второго рода [43,44].

Тепловое изнашивание обусловливается нагревом поверхностных участков трущихся материалов до высоких температур, что наблюдается при трении скольжения с большими скоростями и при значительных удельных нагрузках.

Вследствие большой скорости нагрева и охлаждения в местах контакта глубина изменений структуры при тепловом изнашивании достигает у стальных деталей 5 – 80 мкм.

В интервале температур, при которых мало снижается прочность трущихся материалов, разрушение происходит с малыми пластическими деформациями. При этом поверхность трения покрывается надрывами, чередующимися через равномерные промежутки.

В интервале температур, вызывающих большое снижение прочности трущихся поверхностных слоев металла, поверхность разрушается вследствие отделения частиц сильно размягченного металла и налипания их на более прочную поверхность. В интервале температур плавления металла разрушение происходит в результате уноса тонких пленок расплавленного металла [43,44].

Окислительное изнашивание происходит в том случае, когда кислород вступает во взаимодействие с металлом и образует на нем окисную пленку, которая и вызывает в данном случае изнашивание.

Окисление стальных деталей происходит при соприкосновении с воздухом.

При трении со смазкой сталь окисляется кислородом, растворенным в масле. Окисные пленки не способны к схватыванию, что объясняется их неметаллической природой. При трении эти пленки постепенно истираются или отрываются от металла и удаляются со смазкой, а затем образуются вновь. Фактически окислительное изнашивание это установившийся стационарный процесс динамического равновесия разрушения и восстановления окисных пленок. Данный вид разрушения поверхности возникает при трении качения, при сухом трении и граничной смазке.

Давления при окислительном износе не превышают критических значении, которым соответствует разрушение масляной пленки при граничном трении, или величин, вызывающих интенсивных разрушение защитных вторичных структур окислов.

Теплота, образующаяся при трении, до определенных величин способствует развитию рассматриваемого вида износа, выше некоторых критических значений – приводит к возникновению схватывания.

Скорость окислительного изнашивания составляет от 0,05 до 0,1 мкм/ч.

Проблема коррозии подшипников скольжения возникла после внедрения в быстроходные двигатели внутреннего сгорания антифрикционных свинцовых, медносвинцовых и кадмиевых сплавов. Все эти сплавы корродируют под воздействием кислот, содержащихся в маслах или образующихся в них во время работы.

Механизм разрушения при этом можно представить в таком виде: органические кислоты образуют со свинцом свинцовые мыла, которые уносятся протекающей смазкой. Вымывание свинцовой составляющей сплава резко ослабляет механическую прочность соприкасающихся поверхностей.

Для защиты от коррозии применяют антикоррозионные присадки к маслу. Износ средней части цилиндров карбюраторных двигателей при нормально действующей системе смазки всегда в несколько раз меньше износа верхней части, и поэтому срок службы цилиндров определяется износом верхней части.

Одной из основных причин износа верхней части цилиндров является (в зависимости от условий эксплуатации, режима работы и конструкции) кислотная коррозия, происходящая при низкой температуре стенок, особенно при работе непрогревшегося двигателя. Из истории автомобилестроения известен следующий пример: при доводке двигателя автомобиля ГАЗ единственным способом, позволившим резко уменьшить износ верхней части цилиндров, оказалась постановка коротких гильз из коррозионно-стойкого чугуна с аустенитной структурой.

Окислительное изнашивание присуще ювенильным поверхностям и происходит в результате воздействия на трущиеся поверхности сопряженных деталей агрессивной технологической среды, под действием которой на них образуются непрочные пленки окислов, разрушающиеся при трении, а обнажающиеся поверхности вновь окисляются. Данный вид изнашивания наблюдается на деталях цилиндро-поршневой группы двигателя, а также деталях цилиндров гидропривода тормозов или сцепления.

Эрозионное изнашивание. Оно возникает в результате воздействия на поверхности деталей движущихся с большой скоростью потоков жидкости и газа, с содержащимися в них абразивными частицами, а также возникающих (подающихся) электрических разрядов.

В зависимости от характера процесса эрозии и преобладающего воздействия на детали частиц газа, жидкости или абразива различают газовую, кавитационную, абразивную и электрическую эрозию.

Газовая эрозия состоит в разрушении материала детали под действием механических и тепловых воздействий молекул газа.

Газовая эрозия наблюдается на клапанах, поршневых кольцах и зеркале цилиндров двигателя, а также на деталях системы выпуска отработавших газов.

Кавитационная эрозия деталей происходит за счет разрыва пузырьков газа при нарушении сплошности обтекания потока жидкости; когда образуются воздушные пузырьки, они, разрываясь вблизи поверхности детали, приводят к многочисленным гидравлическим ударам жидкости о поверхность металла, вызывая ее локальное разрушение.

Подобным разрушениям подвержены детали двигателя, контактирующие с охлаждающей жидкостью, например, это внутренние полости рубашки охлаждения блока цилиндров, наружные поверхности гильз цилиндров, патрубки системы охлаждения и другие.

Электроэрозионное изнашивание проявляется в эрозионном изнашивании поверхностей деталей в результате воздействия разрядов электронного тока при прохождении, например, между электродами свечей зажигания или контактами прерывателя.

Абразивная эрозия возникает при механическом воздействии на поверхности деталей абразивных частиц, содержащихся в потоках жидкости (гидроабразивная эрозия) и газа (газообразная эрозия), и наиболее характерна для наружных деталей кузова автомобиля, как-то: арки колес, днище и другие.

Изнашивание при фреттинг – коррозии или контактная коррозия – это особый вид изнашивания мест скольжения плотно контактирующих поверхностей, находящихся под нагрузкой при очень малых повторных относительных перемещениях, то есть вибрациях.

Разрушение в данном случае заключается в образовании на поверхностях взаимного касания деталей язвинок и продуктов коррозии в виде порошка или налета. Этот вид изнашивания возникает при трении скольжения с очень малыми возвратно-поступательными перемещениями и динамическом приложении нагрузки. Он может возникать при сухом трении и в условиях смазки. Ему подвержены различные материалы.

Данный вид износа сравнительно редко встречается в узлах трения автомобилей. Фреттинг–коррозия появляется в самых различных узлах и сопряжениях машин, иногда даже в неработающих. Тем не менее, контактная коррозия, возникающая в местах относительного скольжения листов рессоры, может привести к поломке рессорных листов.

Аналогичное явление наблюдается на рессорных площадках ведущих мостов при ослаблении затяжки стремянок. При этом изнашиваются рессорные площадки.

Изнашивание неметаллических материалов. Считается, что этот вид изнашивания, например, при взаимодействии пластмассы или резины с металлической поверхностью также может быть механическим и молекулярным. Шероховатость металлической поверхности повышает число контактов, за счет пластической деформации поверхностного слоя пластичного материала. При этом увеличивается количество зацеплений и значительно возрастает сила трения.

При значительной адгезии разрушение возникшей фрикционной связи возможно как по пластичному материалу, так и по металлу.

В итоге может наблюдаться перенос материала с пластичного материала на металл, с металла на пластичный материал или одновременно с одной поверхности на другую. Этим объясняется наблюдаемый иногда износ более твердого металла более мягким пластическим материалом.

Сила трения в данном случае обусловливается как адгезией на площадках контакта, так и сопротивлением при движении внедрившихся шероховатостей металлической поверхности.

Основной механизм износа неметаллических материалов в паре с металлом или неметаллического материала в паре с неметаллическим материалом не отличается от механизма износа при трении металла по металлу.

Закономерности процесса трения при этом зависят от особенностей механики трущихся поверхностей, условий и физико-химических свойств или их изменений в процессе трения.

Коррозия возникает на поверхностях деталей в результате химического или электрохимического взаимодействия материала детали с агрессивной окружающей средой, приводящего к окислению (ржавлению) металла и, как следствие, к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида деталей.

Наиболее сильное коррозирующее воздействие на детали автомобиля оказывают соли, используемые на дорогах в зимнее время, а также отработавшие газы. Сильно способствует коррозии сохранение влаги на металлических поверхностях, что особенно характерно для скрытых полостей и ниш.

Для уменьшения коррозии деталей машин, и в первую очередь открытых поверхностей, необходимо поддерживать их чистоту, осуществлять своевременный уход за лакокрасочным покрытием и его восстановление, производить противокоррозионную обработку скрытых полостей кузова и других подверженных коррозии элементов и деталей.

Старение – это изменение физико-химических свойств материалов деталей и эксплуатационных материалов в процессе эксплуатации и при хранении автомобиля или его частей под действием внешней среды (нагрев или охлаждение, влажность, токсичные среды, солнечное воздействие, радиация).

Так, в результате старения резинотехнические изделия теряют эластичность и растрескиваются. У топлива теряется октановое число. У масел и эксплуатационных жидкостей наблюдаются окислительные процессы, изменяющие их химический состав, что приводит к ухудшению их эксплуатационных свойств.