11.3 Влияние шероховатости и состояния поверхности
на эксплуатационные свойства деталей машин
Исследование работоспособности сопряжений деталей машин показывает, что более 80 % из них выходят из строя из износа. Трение и износ деталей в значительной степени связаны с высотой и формой микронеровностей.
В начальный период работы трущихся поверхностей их контакт происходит по вершинам неровностей. В результате этого фактическая площадь соприкосновения составляет лишь небольшой процент от расчетной площади контакта. В местах контакта по вершинам неровностей развиваются большие давления, часто превышающие предел текучести, а иногда и предел прочности трущихся материалов.
Под действием этих давлений при неподвижных поверхностях в точках контакта происходят упругое сжатие и пластическое деформирование смятия микронеровностей, а при взаимном перемещении поверхностей – срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, что приводит к интенсивному начальному износу трущихся деталей и увеличению зазора в сопряжении. Этот период называется начальным износом или периодом приработки деталей. Высокой интенсивности изнашивания в момент приработки способствуют высокие мгновенные температуры, развивающиеся на малых площадях контакта при большом давлении.
11.3.1 Влияние шероховатости поверхности на
износ трущихся деталей
При работе деталей в легких и средних условиях высота микронеровностей в период приработки трущихся поверхностей уменьшается на 65 – 75 %. Это приводит к увеличению фактической площади контакта, а, следовательно, к уменьшению давления в зоне трения.
Во время начального износа происходит изменение формы и размеров микронеровностей, а также направления обработочных рисок. Величина микронеровностей уменьшается или увеличивается до некоторого оптимального значения, которое зависит от условий трения. Если при механической обработке удается получить оптимальную шероховатость, в процессе износа она не изменяется, а время приработки и износ оказываются минимальными. Зависимость износа от высоты микронеровностей поверхности показана на рис. 11.6.
Рис. 11.6. Зависимость износа от шероховатости поверхности
Из графиков (рис. 11.6) видно, что при оптимальной высоте микронеровностей (точки О1 и О2) начальный износ деталей сопряжения является минимальным. Кривая 1 отражает износ сопряжения, работающего в легких и средних условиях, а кривая 2, − работу сопряжения в тяжелых условиях. Как следует из графиков, при усилении режима нагружения сопряжения точка оптимальной шероховатости смещается вправо, в сторону увеличения микронеровностей. Объясняется это тем, что для нормальной работы сопряжения необходимо определенное количество смазки, которое находится во впадинах микронеровностей. При увеличении нагрузки в сопряжении количество необходимой смазки увеличивается, поэтому оптимум шероховатости смещается в сторону более высоких микронеровностей.
Увеличение высоты микронеровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ за счет того, что при высоких микронеровностях происходит механическое зацепление, скалывание и срез неровностей поверхности. Уменьшение микронеровностей, по сравнению с оптимальным, приводит к возрастанию плотности контакта, что вызывает выдавливание смазки из впадин микронеровностей, а, следовательно, плохую смачиваемость трущихся поверхностей смазкой. В результате этого происходит сцепление поверхностей трения на молекулярном уровне и заедание, что способствует повышению износа. В связи с этим, основная задача конструктора, проектирующего новые машины, состоит в назначении шероховатости трущихся поверхностей, соответствующей ее оптимальному значению, при котором износ и коэффициент трения являются минимальными.