7.2.3. Влияние твёрдости материала испытуемого образца

на изнашивание

Среди факторов, влияющих на интенсивность изнашивания, особое место занимает твёрдость контактирующих поверхностей. Она является одним из важнейших показателей физико – механических свойств материалов деталей. В результате многочисленных экспериментальных исследований установлено, что с увеличением твёрдости рабочих поверхностей деталей их износостойкость повышается. В общем случае износ связан с твёрдостью материала (рис.7.2) гиперболической зависимостью, а с износостойкостью – линейной (рис. 7.3).

Рис. 7.2. Зависимость абразивного износа Рис. 7.3. Зависимость износостойкости

от твёрдости по Бринеллю (НВ) от твёрдости по Бринеллю (НВ)

Механизм абразивного износа определяется главным образом соотношением значений твёрдости материала Н_м и твёрдости абразивных частиц Н_а. При Н_м<0,6 Н_а происходит микрорезание металлической поверхности абразивными частицами. В интервале 0,6 Н_а < Н_м <0,8 Н_а наблюдается пластическое отслоение (деформация) частиц металла абразивом. При Н_м > 0,8 Н_а взаимодействие твёрдой металлической поверхности с более «мягким» абразивным материалом сопровождается истиранием окисной плёнки на металле, которая непрерывно восстанавливается в атмосферных условиях. Это явление называется коррозионно-механическим износом.

7.2.4. Установка для испытания образцов

при трении об абразивную среду

Этот метод испытаний моделирует изнашивание зубьев ковшей экскаваторов, погрузчиков, а также рыхлителей при разработке грунтов, особенно мёрзлых и скальных. Схема машины для проведения таких испытаний представлена на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Схема машины для испытания образцов на изнашивание при трении

об абразивную поверхность

На вертикальном валу 1 закреплён абразивный диск 2, находящийся в кожухе. Испытуемый цилиндрический образец 4 материала диаметром 4-6 мм и длиной 20 - 30 мм закрепляют в цанговом патроне 3 державки 13. Образец пригружен грузом 5. Диск вращается со скоростью не более 100 об/мин от электродвигателя через клиноременную передачу со шкивом 7. Державка закреплена в направляющей втулке 12, которая по резьбе входит в гайку 11. Поворачивая гайку 11 с помощью конической передачи 9-10 и вала 8, можно перемещать державку 13 с головкой 14, в которой установлен образец 4, по диску 2 в радиальном направлении, обеспечивая однородную абразивную поверхность.

Скорость вращения до 100 об./мин позволяет исключить существенный разогрев поверхности трения образца и получить на разных расстояниях его от оси диска практически одинаковые величины износа за одинаковый путь трения.

Износ характеризуется изменением линейного размера образца (в данном случае – высоты) за время испытания и определяется путём измерения его высоты до и после испытания. Износ можно также определить по уменьшению массы образца путём его взвешивания до и после испытания на аналитических весах.

7.2.5. Методика проведения лабораторных испытаний образцов

на абразивное изнашивание, обработка и представление результатов

Определение параметров испытуемых образцов

Для проведения испытаний берётся не менее 6 – 7 образцов одной марки стали, имеющих одинаковый диаметр, но различную твердость по Бринеллю НВ= 50÷500. Перед началом испытаний для каждого образца замеряют и заносят в отчёт следующие параметры:

1) длину и диаметр;

2) твёрдость материала, измеренную в месте предполагаемого контакта с абразивной средой;

3) массу образца, если износ будет определяться массовым методом.

Проведение испытаний

В результате износа абразивной поверхности её свойства изменяются. Чтобы она была однородной, необходимо располагать каждый испытуемый образец на разном расстоянии от оси вращения абразивного диска. При этом путь износа при одинаковом времени испытаний будет различным для каждого образца. Поэтому для обеспечения одинакового пути износа предварительно рассчитывается время испытаний для каждого образца по формуле

(7.1)

где , – соответственно время испытания и расстояние от оси вращения абразивного диска до оси испытуемого первого образца (см. рис. 7.4); индекс n относится к последнему образцу.

Задаваясь временем испытаний в делах 3...5 мин для первого образца, по формуле (7.1) определяют время испытаний для всех последующих образцов после установки их в оправу на заданное расстояние от оси вращения абразивного диска 2 (см. рис. 7.4).

Время испытаний фиксируется секундомером с точностью до 1с от начала вращения абразивного диска до его полной остановки. Величину пригруза на испытуемый образец не изменяют.

Обработка результатов испытаний

После завершения испытаний всех образцов замеряют их длину и массу.

По каждому образцу определяют:

1) линейный износ по формуле

И_л=L-l, (7.2)

где L, l – длина образца соответственно до и после испытаний, мм;

2) массовый износ по формуле

И_м=G-g, (7.3)

где G, g – масса образца соответственно до и после испытаний, г;

3) скорость износа образца по формуле

(мм/ч или г/ч). (7.4)

Экспериментальные значение износа каждого образца в функции твёрдости поверхности наносятся на график (см. рис. 7.2).

Для образцов с одинаковой твёрдостью поверхности износа строится график величины износа в функции скорости изнашивания И=f( ).

Расчет ресурса делали

В связи с многообразием факторов, влияющих на износ деталей, их взаимовлиянием и нелинейной зависимостью в настоящее время не представляется возможным получить достаточно точное теоретическое определение износа деталей и узлов машин на основе установленных отдельных физических закономерностей. Поэтому в практике широкое распространение получили полуэмпирические и эмпирические закономерности, отражающие влияние наиболее важных факторов для конкретных видов износа. В общем случае зависимость износа детали как случайной функции наработки t может быть представлена в виде

, (7.5)

где – случайная величина, зависящая от физико-механических свойств материалов контактирующих поверхностей и условий работы деталей;

– коэффициент динамики износа, определяемый опытным путём для различных конструктивных решений деталей (табл.7.2); – величина износа детали по окончании её приработки.

В связи с относительно небольшими изменениями И(t) в период приработки, который обычно не превышает величины допуска на изготовление детали, величиной можно пренебречь и тогда зависимость И(t) представится следующим выражением:

. (7.6)

Таблица 7.2

Значения коэффициента динамики износа

Наименования узлов и деталей	Ориентировочные значения
1.Кривошипно-шатунный механизм	1,2…1,6
2. Плунжерные пары	1,1
3. Клапаны и коромысла механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания	1.1
4. Кулачки (по высоте) распределительного вала	1,1
5. Фрикционные элементы муфт сцепления и тормозов	1,0
6. Подшипники качения и скольжения	1,5
7. Посадочные гнёзда корпусных деталей	1,0
8. Зубья шестерён и звёздочек	1,5
9. Пальцы и оси	1,4
10. Шлицы валов	1,4…1,5
11. Сочленения гусеничных и втулочно - роликовых цепей увеличенного шага	1,0
12. Ножи и зубья землеройных машин	1,0

Для определения величины , зависящей от свойств материалов деталей и условий их работы, проводятся лабораторные испытания, аналогичные описанным. Ориентировочно можно принять ≈ (это справедливо, особенно при ≈1).

Из выражения (7.6) представляется возможным определить ресурс детали:

(7.7)

где – предельно допустимый износ детали, когда наступает предельное состояние детали, делающее невозможным дальнейшую её работу.

Предельные размеры износа деталей при проектировании машины назначаются согласно нормативным данным (отраслевые стандарты и нормали) либо по аналогии с ранее выпущенными машинами, экспериментальным и расчётно-экспериментальным путями.

Например, для строительных машин при сопряжении вала с подшипником качения величина предельного износа колеблется в пределах 0,02...0,18 мм, а скорость изнашивания составляет 0,015...0,02 мк/ч. При сопряжении вала с подшипником скольжения износ шеек вала составляет 0,15...0,2 мм, а скорость изнашивания 0,09...0,12 мк/ч. Предельный износ шлицевых валов экскаватора 1,0...1,5 мм, а скорость изнашивания 0,8...1,5 мк/ч. У зубчатых колёс предельных износ составляет 0,01...0,02 от модуля зуба или 0,05...0,28 мм, а скорость износа 0,05...0,08 мк/ч. Предельный износ зубьев и ножей землеройных машин составляет 10...20 мм, а скорость износа для зубьев 0,5...3,0 мм/ч, для ножей 0,2...1,5 мм/ч.