5.2. Влияние нагрузочно - кинематических условий

Ничто не существует без

достаточных на то оснований.

Э. Б. Кондильяк

Влияние нагрузки. Рост нагрузки, как правило, увеличивает износ сопряжения. Это имеет место для металлов и полимеров как при упругом, так и при пластическом контакте, поскольку с ростом нагрузки увеличиваются контактные напряжения.

Но следует отметить, что рост нагрузки одновременно увеличивает деформацию контактной зоны, то есть фактическую площадь контакта. Пос-леднее обстоятельство замедляет рост фактических контактных напряжений.

Практика показала, что износ пропорционален номинальной удельной нагрузке Р в степени n большей единицы:

. (22)

С ростом нагрузки А увеличивается, а n – стремится к единице.

Если в процессе эксплуатации нагрузка на узел трения меняется, колеб-лясь случайным образом вокруг некоторого среднего значения, то износ в этом случае будет всегда больше, чем если бы нагрузка поддерживалась на постоянном среднем уровне. Следовательно, нестационарность нагружения снижает износостойкость сопряжений.

Влияние скорости. Мощность, подводимая к паре трения, пропор-циональна как нагрузке, так и скорости ( ), но последняя влияет на процесс изнашивания гораздо интенсивнее. Это связано с тем, что при увеличении скорости растёт число циклов нагружения и ресурс пары снижается из-за контактной усталости. Кроме того, с увеличением скорости резко возрастает температура, что приводит к понижению физико-механических свойств материалов деталей трения и их износ возрастает. Особенно характерно тепловыделение в зоне контакта для высоких (более 10 м/с) скоростей, например, при движении снаряда в стволе орудия (Рис.55).

Рис. 55. Износ по длине ствола орудия

Если при этом механические свойства и температура плавления контртела (ствола) выше, чем у скользящего элемента (снаряда), то изнашивание происходит путём переноса (намазывания) тонких поверхностных слоёв скользящего элемента на контртело.

При постоянной температуре рост скорости скольжения приводит к увеличению износа пропорционально подводимой мощности. На рис.52 показано влияние скорости снаряда на износ ствола по его длине при практи-чески одной температуре. Скорость снаряда возрастает при его движении по каналу ствола.

Влияние температуры. Практически во всех случаях повышение температуры узла трения увеличивает износ его деталей.

При гидродинамической смазке температура узла снижает вязкостные характеристики используемого масла (растёт критерий Рейнольдса) и гидро-динамический клин может быть неустойчивым или вообще не возникнуть, что резко увеличит износ.

При граничной смазке рост температуры может превысить критичес-кую температуру граничных слоёв. Их разрушение увеличит износ.

При трении без смазки рост температуры снижает физико-механичес-кие характеристики материалов трущихся пар. У металлических сплавов могут образоваться структурные составляющие с низкой прочностью и твёрдостью. Полимерные материалы могут перейти в другое агрегатное (высокоэластическое, вязкотекучее) или фазовое (изменить процент кристалличности) состояние, что снижает их износостойкость.

Влияние реверсивного движения. Перемена направления движения пар трения уменьшает износостойкость материалов контактирующих деталей как при скольжении, так и при качении. Это связано со следующими обстоятельствами:

–реверсирование добавляет число переходных процессов: пусков и остановов,

– величина сил трения увеличивается,

– возрастает глубина, степень наклёпа и уровень внутренних напряжений.

Следовательно, реверсирование комплексно изменяет свойства поверх-ностных и глубинных слоёв материала в паре трения. Положительным эффектом при реверсировании считается ускорение процесса приработки.

Влияние коэффициента перекрытия. При значениях коэффициента

перекрытия менее единицы знакопеременные деформации от постоянной по направлению силы трения вызывают эффекты, сходные с реверсивным трением. При этом интенсивнее изнашивается более протяжённая поверхность. Влияние коэффициента перекрытия на основные параметры трения показано на рис.56.

Рис.56. Влияние коэффициента перекрытия на коэффициент трения - а, интенсивность изнашивания - b, температуру зоны трения - с, градиент температуры - d.

Для объяснения этих явлений в настоящее время выдвинуты следующие гипотезы:

• более высокая прочность кромок меньшей детали, чем поверхность большей;

• пропорциональный площади детали рост числа микродефектов на поверхности;

• образование твёрдого нароста на малой детали.

Влияние вибраций. В трибосистемах возможны свободные, вынужденные и автоколебания.

Свободные колебания обычно достаточно быстро затухают в связи с контактным демпфированием. Высокими демпфирующими свойствами обладают и полимерные материалы, используемые в трибосистемах.

Вынужденные колебания с частотой возбуждающей силы и автоколебания (релаксационные и квазигармонические) действуют длитель-ное время и влияют на изнашиван6ие более существенно. Их амплитуда зависит от контактной жёсткости стыка.

Независимо от типа колебания могут происходить в плоскости перпендикулярной контактным поверхностям или параллельно им. В первом случае колебания будут суммироваться с нормальной нагрузкой Р в полупериод, совпадающий с её направлением, и увеличивать её, а в другой полупериод - уменьшать эту нагрузку:

Р= N ± m , (23)

где

N - нормальная нагрузка,

m - колеблющаяся масса,

- ускорение колеблющейся массы.

Коэффициент трения при этом снижается, а величина износа возрастает. Колебания изменяют сближение поверхностей, фактическую площадь контакта, деформационное и адгезионное взаимодействие. При достаточной амплитуде контакт может вообще разрываться на некоторое время, что приводит к снижению изнашивания. Подобный эффект требует существенных затрат мощности или наличия резонанса с собственными колебаниями трибоэлемента.

Колебания в плоскости контакта значительно (в 2 и более раз) увели-чивают путь трения и соответственно интенсивность изнашивания. Кроме того, возрастают знакопеременные сдвиговые деформации и температура.

Величина реального пути трения в условиях тангенциальных вибраций определяется при помощи выражением (24), приводящегося к эллиптичес-кому интегралу 2-го рода.

L = dφ, (24)

где а - амплитуда колебаний.

Экспериментальные данные по влиянию вибраций на процесс изнашивания приведены на рис. 57.

Рис.57. Зависимость относительного износа малоуглеродистой стали от амплитуды колебаний: 1 - А = 0,299мм, 2 - А = 0,091мм, 3 - А = 0,01мм.

Чем выше амплитуда колебаний, тем больше величина износа; чем выше частота - тем больше цикличность нагружения и, следовательно, износ.

Как правило нормальные и тангенциальные колебания взаимосвязаны и влияют друг на друга. Величина износа при наличие колебаний зависит в основном от демпфируюшей способности и усталостной прочности контактирующих материалов.