Алексаньян И.М. Основы теории надежности. 2017

Ювенильное трение при эксплуатации машины является патологическим явлением, и его возникновение на смазочных поверхностях означает, что смазка на данном участке полностью перестала выполнять свои функции.

Для различных видов внешнего трения характерны следующие величины коэффициента трения скольжения:

-жидкостное: 0,002–0,01;

-полужидкостное: 0,01–0,2;

-граничное: смазанные поверхности 0,05–0,4;

несмазанные поверхности 0,2–0,8;

-ювенильное: 0,8–1 и выше.

Сточки зрения эксплуатации машины между жидкостным и граничным трением существуют следующие различия:

1 При жидкостном трении износ, как правило, отсутствует (в отдельных

случаях износ может происходить через слой смазки). При граничном трении износ, как правило, имеет место.

2При жидкостном трении сопротивление сдвигу между трущимися поверхностями намного меньше, чем при граничном, т.к. сдвиг происходит в масляном слое, поэтому коэффициент трения при жидкостном трении на 1–2 порядка ниже, чем при граничном.

3Срок службы смазочного масла особенно легированного при жидкостной смазке больше, чем при граничной, т.к. в последнем случае масло работает в термически более напряжённых условиях из-за более высокого коэффициента трения, а содержащиеся в масле присадки быстрее истощаются. К маслу, предназначенному для работы в условиях жидкостной смазки, предъявляют меньше требований к его антиизносным свойствам.

2.2Виды износа

Под износом следует понимать изменение микроили макроструктуры поверхности в результате трения. Это изменение может происходить при отделении от поверхности трущихся деталей частиц материала, соответствующей потери массы деталей или вследствие пластической деформации без потери массы деталей.

Износ в большинстве случаях сопровождается следующими явлениями:

1 От трущихся поверхностей в результате механического воздействия отделяются продукты износа – частицы металла и их окислов. Они могут уноситься из зон трения смазочного масла, становясь его примесью, или могут налипать, намазываясь на сопряжённые поверхности.

2 Трущиеся поверхности под действием высокого удельного давления и высоких температур на пятнах фактического контакта подвергаются пластическим микродеформациям под тонким поверхностным слоем.

3Под действием интенсивного термического воздействия при трении могут происходить фазовые изменения.

51

2.3 Классификация видов и характеристик изнашивания

1 Механическое:

1.1Абразивное – механическое изнашивание материала в результате в основном режущего или царапающего действия на него твёрдых частиц, находящихся в свободном или закреплённом состоянии. При этом виде изнашивания на поверхности трения могут быть риски, царапины, небольшие углубления и глубокие борозды в направлении скольжения.

1.2Гидроабразивное (газо-абразивное) – это абразивное изнашивание в результате действия твёрдых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно изнашивающегося тела.

1.3Эрозионное – механическое изнашивание в результате воздействия потока жидкости и (или) газа.

1.4Гидроэрозионное (газо-эрозионное) – эрозионное изнашивание в результате воздействия потока жидкости (газа).

1.5Кавитационное – гидроэрозионное изнашивание при движении твёрдого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создаёт местное повышение давления или температуры.

1.6Усталостное – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъёмов материала поверхностного слоя. Это разрушение может представлять собой отслаивание (отделение с поверхности тела материала в форме чешуек), выкрашивание, приводящее к образованию ямок на поверхности трения.

1.7Изнашивание при фреттинге – механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебаниях относительных перемещений.

1.8Изнашивание при заедании – изнашивание в результате схватывания, т.е. местного соединения двух твёрдых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую, т.е. материал одного типа соединяется с другим и, отрываясь от первого, остаётся на поверхности второго. В результате воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность может прекратиться относительное движение.

2 Коррозионно-механическое – это изнашивание в результате механического воздействия, сопровождающегося химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой.

2.1Изнашивание при фреттинг-коррозии – коррозионно-механическое изна-

шивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

2.2Окислительное – коррозионно-механическое изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание оказывают химические реакции материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

3 Изнашивание при действии электрического тока – эрозионное изнашива-

ние поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

52

Группировка автотракторных деталей по виду изнашивания

1 Абразивное изнашивание – основной фактор, определяющий долговечность деталей ходовой части гусеничных машин – пальцев, втулок, опорных роликов, осей, звёздочек, траков и деталей рабочих органов.

2 Для шлицевых валов, зубчатых муфт, резьбовых деталей, венцов маховика – основным фактором, лимитирующим долговечность, является износ вследствие

пластических деформаций от повышения контактных напряжений.

3 Для гильз, головки цилиндров, распределительных валов, толкателей, поршней, поршневых колец – доминирующим фактором является коррозионно-

механическое изнашивание.

4 К деталям, долговечность которых лимитируется усталостной прочно-

стью, относятся: шатуны, пружины, рессоры, болты шатунов, башмачные болты.

5 Коленчатые валы, поршневые пальцы, вкладыши подшипников, отдельные тяжелонагруженные шестерни коробок передач и бортовых фрикционов – это

детали, долговечность которых одновременно зависит от износостойкости

трущихся поверхностей и усталостной прочности, при этом по мере износа в связи с увеличением зазоров в сопряжении ускоряется и развитие усталости. На интенсивность изнашивания влияют три группы факторов:

1 Конструктивные: схемы, формы, размеры деталей и их элементов, концентраторы напряжений, зазоры, посадки, запас прочности и методы расчёта на прочность, характер и скорость приложения нагрузок.

Влияние конструктивных факторов может быть уменьшено, если строго соблюдать два основных требования образования конструктивных форм деталей:

-конструктивные формы деталей машин должны обеспечить такое направление силового потока, чтобы в восприятии нагрузки принимала участие наибольшая часть объёма детали;

-конструктивные формы деталей машин при сопряжении их в узлах должны обеспечить передачу нагрузки по всей запроектированной поверхности контакта.

2 Технологические – факторы, связанные с процессом плавки и получения металла требуемой прочности, структуры, химических и физико-механических свойств, а также факторы, связанные с формообразованием заготовок, дальнейшей обработкой деталей и сборкой из них машин.

3 Эксплуатационные – виды смазки, качество обслуживания и ремонта, транспортирования и хранения, соблюдение правил технического обслуживания по нагрузкам, скоростям давления и другим факторам, предусмотренным в ТУ на ремонт и приёмку машины, а также температурные и физико-химические свойства окружающей среды.

53

На рисунке 15 представлена схема влияния климатических факторов на надежность изделия.

Количество хрупких разрушений возрастает в 1,5–3 раза по сравнению с поломками при высоких температурах.

При –30 ºС резко снижается эластичность деталей, изготовленных из обычных сортов резины, что приводит к появлению трещин и т.д.

При низких температурах происходит хладоломкость деталей.

Пути и средства управления абразивным изнашиванием

Рассмотрим основные пути и средства управления абразивным изнашиванием.

1Ограничение возможностей попадания частиц в зону трения путем:

-усовершенствования систем масляных и воздушных фильтров;

-разработки приспособлений для защиты узлов трения от попадания абразивных частиц.

2Повышение сопротивления поверхностных слоев резанию и царапанию абразивными частицами за счет:

-применения специальных сталей и сплавов карбидного класса и легированных Cr, Mn, Mo, W, Ni; Cr в пределах 2,5…3 % повышает износостойкость и благоприятно влияет на теплостойкость стали, а при увеличении до 5…6 % приводит к резкому охрупчиванию стали; Ni повышает пластичность и ударную вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости; Si (0,4…0,8 %) и Mn (0,7…1,0 %) в сочетании с Cr и Ni увеличивают прокаливаемость, пластичность и прочность стали. Если Si>1%, то происходит охрупчивание стали; V (0,01…0.15 %) обеспечива-

ет измельчение зерна в процессе кристаллизации и содержит рост аустенитного зерна при нагреве под закалку.

Установлено, что для обеспечения необходимого уровня пластичности содержание C должно быть 0,23…0,28 %. Для обеспечения вязкости при положительных и отрицательных температурах содержание S и Р в стали ограничива-

ется 0,02 %.

Необходимо помнить, что прочность деталей машин существенно отличаются от прочностных характеристик материалов, из которых эти детали были изготовлены. Так, если принять прочность образца из данного материала при разрыве за 100 %, то предел выносливости образца составит 55…72 %, а прочность деталей в зависимости от формы и типа соединения всего 7…24 %;

-применения различных видов упрочняющей технологии, например, термической и химико-термической обработки: цементации, хромирования, борирования и др.;

-широкого внедрения наплавки специальными твердыми сплавами.

Пути и средства управления коррозийно-механическим изнашиванием

Для управления коррозийно-механическим изнашиванием необходимо:

55

1 Оптимальное конструирование деталей и узлов, для чего требуется обеспечить слитность сечения, обтекаемость элементов, отсутствие застойных мест, возможность легкой разборки для периодической очистки изделий, отсутствие концентрации напряжений и др.

2 Рациональный выбор материалов, стойких против коррозии.

3 Изоляция материала от прямого воздействия среды за счет применения разнообразных защитных покрытий. Рекомендуется изолировать металлы друг от друга пластмассами, резиной, герметиками, просмоленным асбестом. Изолирующие втулки и прокладки изготавливают из эбонита, текстолита, гетинакса, оргстекла, полиэтилена, ферропласта и др.

4 Обработка среды с целью уменьшения ее агрессивности или замена среды.

5 Использование методов электрической защиты.

Новые методы повышения износостойкости

1 Исследованиями Горьковского автозавода установлено, что применение алмазного хонингования стенок цилиндров двигателя обеспечивает более стабильные значения микро- и макрогеометрии цилиндров, поршней и поршневых колец при уменьшении износа цилиндров на 13…15 мкм, юбок поршней на 3…5 мкм, верхних хромированных колец на 40…50 мкм.

Применение комплекта стальных маслосъемных сборных колец с хроми-

рованными кромками на ЗИЛ-130 повышает долговечность до 150…180 тыс. км, а расход масла уменьшается в 2 раза.

Износостойкость шатунных и коренных шеек коленчатых валов из магниевого чугуна примерно в 2 раза больше, чем у стальных валов.

Применение для выпускных клапанов жаростойких сталей ЭП-303, ЭП303Б обеспечивает повышение сроков службы в 2 и 2,5 раза.

2 В АН Белоруссии разработаны подшипники, смазываемые водой. Материалом служит уплотненная и подпитанная термопластичными полимерами древесина березы. Этот материал может работать в агрессивных средах, при наличии абразивной пыли и при t –50…+1400C. Такие подшипники можно использовать в узлах трения бетономешалок. Их износостойкость в 3…4 раза выше бронзовых.

3 В АН Украины для больших деталей, имеющих сложную конфигурацию, разработан метод упрочнения поверхности трения деталей с помощью электрофореза. Покрытие наносится из карбида хрома толщиной от 150 до 500 мкм. После нанесения первого защитного слоя необходим нагрев в вакууме до +1180 ºС. Износостойкость деталей повышается в 6…7 раз.

4 В институте Патона О.Е. разработан метод лазерного облучения поверхности трения. При этом коэффициент трения и энергоемкость привода снижаются на 10…15 %, а износостойкость повышается в 4…6 раз.

5 Применение новых самосмазывающихся материалов – металлофторопластовых подшипников, разработанных в институте им. Благонравова А.А., позволяет повысить срок службы в 5…6 раз.

56

6 Предложенный А.И. Зверевым способ смазывания рукоятей прямых лопат (т.е. открытых поверхностей трения деталей), заключающихся в нанесении на очищаемую поверхность трения в подогретом виде присадки из липкого вещества, а после ее остывания – смазочного материала и уменьшает износ на 15…20 %.

7 Как средство от быстрого износа «прописали» деталям машин порошки ученые института Гипроникель в Санкт-Петербурге.

Каждая крупинка такого вещества представляет микроскопический кусочек твердой смазки, одетый в никелевую оболочку толщиной несколько микрон. Когда под действием нагрузки она протирается, деталь как бы сама смазывает себя. Как показали испытания, проведенные на Алтайском тракторном заводе, коэффициент трения снижается в семь раз.

Плазменное напыление металлических «зерен» на поверхность колец дизельных двигателей, например, повышает их срок службы втрое. При этом созданные порошки не содержат дефицитного вольфрама или других сверхпрочных материалов.

8 Английский ученый Роджерс предлагает использовать для снижения износа цилиндров ДВС меднение поршневых чугунных колец. Сравнительные испытания показали, что применение омедненных поршневых колец вместо чугунных снижает износ цилиндров двигателей, по крайней мере, в 500 раз.

2.4 Основные методы измерения износа деталей машины. Расчет деталей на износ

При внедрении методов определения износа трущихся поверхностей необходимо, чтобы они удовлетворяли следующим условиям:

-непрерывность контроля за износом без остановки машин или механизма;

-измерение износа без разборки исследуемых деталей;

-минимальное время работы машины, в течение которого измеряется износ;

-в процессе изнашивания должно быть точно известно, какая деталь и в каком месте изнашивается;

-методы должны быть простыми, вполне доступными и применимыми как для исследования износа в процессе стендовых испытаний серийных

ивновь создаваемых машин, так и для контроля за износом в процессе эксплуатации;

-минимальные затраты на исследование и контроль за износом; В настоящее время существует несколько методов для определения ве-

личины износа деталей.

Метод микрометража. Этот метод основан на измерении одних и тех же размеров детали до и после испытания. Микрометрирование дает надежные результаты оценки износа деталей, если износ достаточно велик и если деталь не деформируется в процессе испытания. При микрометрировании можно оценить износ отдельной детали или ее определенной части. Однако следует учи-

57

тывать ошибки измерения при микрометраже, связанные с непостоянством температуры деталей и инструмента при повторных измерениях, с невозможностью точно повторить условия измерения, направление измерения, точки контакта, давление наконечника. Изменение размера может произойти не только из-за износа, но и вследствие деформации. Кроме того, такой метод измерения не позволяет выявить, как распределяется износ между двумя противоположными сторонами детали. Трудоемкость микрометрирования велика. Необходимость разборки агрегата для определения размеров деталей не позволяет проследить динамику износа. Погрешность такого метода составляет ± 5 мкм.

Метод взвешивания до и после испытания детали. Погрешности при этом методе возникают в случае измерения пористых материалов, поры которых заполнены маслом, в которые часто внедряются продукты износа других деталей. Если деталь изменяет размеры не только вследствие истирания, но и деформирования, весовой метод не приемлем. Для взвешивания необходима разборка агрегата и тщательная очистка деталей от нагара, лака, накипи и других отложений.

Метод профилографирования поверхностей до и после работы. Идея метода профилографирования с использованием простейших щуповых приборов была предложена академиком В. Лиником. Профиль записывается на стекле, покрытом тонким полупрозрачным посеребренным слоем, в натуральную величину без искажения масштабов; по этому профилю измерением под микроскопом определяется величина износа. В настоящее время заводом «Калибр» разработана новая модель индуктивного профилометра-профилографа высокой точности.

Запись профиля производится на металлизированной бумаге электрической искрой. Действие прибора основано на преобразовании смещений алмазной иглы в изменения напряжения. Максимальный радиальный износ измеряется по профилю с точностью до 2…3 мкм как разность между изнашивающейся поверхностью и дном впадины профиля. Ограничение этого метода вызвано необходимостью наличия постоянной базы, от которой можно было бы производить измерения. Точность метода ± 1 мкм.

Метод искусственных баз. При этом методе необходимо, чтобы углубление имело в сечении геометрически правильную, заранее известную форму. Тогда о величине этого расстояния можно судить по ширине искусственного углубления. Суживающееся углубление известного профиля может быть получено в результате вдавливания пирамиды или конуса, высверливания конического углубления, вырезания вращающимся резцом остроугольной лунки или вышлифовывания лунки диском. Наблюдая за изменением длины отпечатка, соотношение которой с глубиной заранее известно, можно определить величину местного линейного износа:

метод отпечатков, сущность которого заключается в том, что на поверхность, износ которой нужно определить, наносится отпечаток при помощи алмазного индентора, имеющего форму четырехгранной пирамиды с квадратным основанием и 136º при вершине, как в приборах

58

типа Виккерса (lmax = 1,0 мм), в приборах ПМТ-2, ПМТ-3 (lmax = 240 мкм), или в виде конуса с помощью конического керна, угол заострения

которого 120…140º. Длина диагонали отпечатка измеряется посредством оптического устройства, дающего увеличение в 50…80 раз. Абсолютная величина износа может быть определена по изменению длины диагонали

h 2l tq 2 ,

где h – глубина пирамиды, мкм; l – длина диагонали, мкм;

– угол вершины пирамиды.

Метод не получил распространения из-за погрешностей, связанных со вспучиванием металла вокруг отпечатка при его нанесении;

метод вырезанных лунок, использующий приборы типа УПСИ-6, УПОМИД-4. Он основан на определении расстояния от изнашивающейся поверхности исследуемой детали до дна вырезанной лунки перед испытанием и в конце испытания. Лунки располагают перпендикулярно направлению трения. Глубину лунки легко можно вычислить

h r r 2 l 2 ,

4

где l – длина лунки, l = 1,7…3 мм;

r- радиус, описываемый вершиной резца, мкм; h – глубина лунки, h = 50…120 мкм.

Так как отношение глубины лунки к ее длине примерно 1:30, то при равной точности измерения длины лунки и диагонали отпечатка точность определения величины износа методом лунок значительно выше, чем методом отпечатков.

Недостатки этого метода: большая трудоемкость; возможность оценки износа только при краткосрочных испытаниях; трехкратная разборка агрегата для измерения лунок; деформация металла у входа резца, составляющая 3…5 мкм.

Метод искусственных баз не применим при работе деталей с наличием абразивных частиц, искажающих профиль канавок;

метод негативных оттисков состоит в том, что на изнашиваемой поверхности делаются риски, с которых при помощи пластического материала (листового свинца 0,5…2 мм) снимаются негативные оттиски, позволяющие измерять глубину нанесенных рисок. Оттиски снимаются

до и после испытаний на изнашивание.

При измерении высоты оттисков необходимо, чтобы точки замера вторичного оттиска точно совпадали с точками замера первичного. Для этого наносится базисная риска, от которой в дальнейшем отсчитываются координаты точек замера на основной риске.

Суммарная погрешность метода оттисков:

21 22 23 24 ,

где 1 – погрешность измерения микроскопом МИС-11, равная 3…4 %;

59

2 – погрешность от «недоштамповки» для разности (h1 – h2), равная 2 % высоты оттиска;

3 – погрешность измерения в случае значительного изменения шерохова-

тости в процессе изнашивания, равная 3 % высоты оттиска;4 – погрешность от неточности базирования, равная 2 %,

при h h21 11,5% ;

при h h31 17% .

Метод оценки величины износа по загрязнению смазочного масла про-

дуктами износа сводится к следующему: продукты износа деталей представляют собой мелкие и мельчайшие металлические частицы, окислы металлов и продукты химического взаимодействия металлов с активными компонентами масла, в большей своей части взвешенные в масле. Из двигателя периодически отбирают пробу масла, озоляют его и в золе калориметрическим или полярографическим методами определяют содержание железа. Зная количество масла в системе смазки и его расход, можно просчитать количество железа, попавшего в масло за время между отборами проб.

Метод прост, обладает высокой чувствительностью и позволяет проследить динамику износа в процессе работы двигателя. Недостаток: оценка только суммарного износа всех стальных и чугунных деталей.

Метод радиоактивных изотопов (меченых атомов) применяется для контроля многих процессов, в том числе и для изучения износа, и основан на способности радиоактивных изотопов излучать энергию в виде потока электронов (β-лучи), или в виде электромагнитного излучения (γ-лучи), или в том и другом виде одновременно. Счетчик элементарных частиц регистрирует отдельные фотоэлектроны малой энергии и передает импульсы тока на специальную радиотехническую аппаратуру. Следовательно, если в материале детали будет равномерно распределено некоторое число радиоактивных атомов какого-либо элемента, то образующиеся в процессе изнашивания такой детали продукты износа также будут содержать пропорциональную часть этих атомов. При изнашивании таких (активированных) деталей по увеличению количества радиоактивных атомов в масле можно судить о скорости износа всей исследуемой детали. Для активирования деталей применяют установку радиоактивных вставок, облучение нейтронами в атомном реакторе, введение изотопов в металл во время его плавки или электролитическое покрытие детали радиоактивным элементом.

Преимущества этого метода: высокая чувствительность и возможность непрерывной регистрации измерений непосредственно при работе агрегата.

Недостатки: требуется специальная подготовка агрегата перед испытанием; необходима биологическая защита обслуживающего персонала от излучения. Метод радиоактивных изотопов позволяет оценивать износ только одной детали. Одновременное раздельное определение износа нескольких деталей весьма сложно, так как требуется применение нескольких изотопов с раз-

60