Износостойкость
Большинство деталей машин выходит из строя вследствие износа.
Износ вызывает резкое удорожание эксплуатации машин в связи с необходимостью периодической проверки их состояния и ремонта, что связано с простоями и снижением производительности машин. Ежегодно на ремонт расходуется около 40 млрд р. и на ремонте занято около одной четверти парка станков.
Износ ограничивает долговечность деталей по следующим критериям работоспособности машин:
а) по потере точности – приборы, измерительный инструмент, прецизионные станки;
б) по снижению КПД, увеличению утечек – цилиндр и поршень в двигателях, насосах и т. д.;
в) по снижению прочности вследствие уменьшения сечений, неравномерного износа опор, увеличения динамических нагрузок в зубчатых и червячных колесах и т. д.;
г) по возрастанию шума – передачи транспортных и других быстроходных машин;
д) по полному истиранию, которое делает деталь непригодной, – рабочие органы землеройных машин, тормозные колодки.
Наблюдаемые в машинах виды изнашивания разделяют на следующие группы.
1. Механические, из которых основным является абразивное изнашивание, т. е. изнашивание твердыми посторонними, преимущественно абразивными частицами, шаржирующими одну деталь или передвигающимися между трущимися поверхностями, или неровностями сопряженной твердой поверхности. Абразивное изнашивание проявляется в виде: а) усталости при многократном повторном деформировании микровыступов с малой глубиной взаимного внедрения; б) малоцикловой усталости при повторном пластическом деформировании микровыступов со средней глубиной внедрения; в) микрорезания при глубоком внедрении.
2. Молекулярно-механическое изнашивание (изнашивание при схватывании). Схватывание происходит вследствие действия молекулярных сил при трении. Наблюдается холодное схватывание, связанное с износом и выдавливанием смазочной пленки при малых скоростях скольжения, и горячее схватывание, связанное с понижением вязкости масла из-за нагрева при больших скоростях. Схватывание в начальной форме проявляется в намазывании материала одной сопряженной детали на другую, а в наиболее опасной форме – в местном сваривании трущихся поверхностей с последующим вырыванием частиц одного тела, приварившихся к другому, при дальнейшем их относительном движении. Схватывание особенно опасно для незакаленных трущихся поверхностей и химически однородных материалов.
3. Коррозионно-механическое, при котором механическое изнашивание сопровождается химическим или электрическим взаимодействием материала со средой (продукты коррозии стираются механическим путем).
Разновидностью коррозионно-механического изнашивания является изнашивание при фреттинг-коррозии (to fret – разъедать) – разрушение постоянно контактирующих поверхностей в условиях тангенциальных микросмещений без удаления продуктов износа. Проявляется на посадочных поверхностях колец подшипников качения, зубчатых колес, шлицевых соединений.
Очень опасен водородный износ, связанный с выделением водорода при разложении воды, нефти и нефтепродуктов, деструкцией пластмасс при трении, применении водородного топлива.
Исследования и опыт эксплуатации машин показывают возможность работы с исчезающе малым износом при условии жидкостной смазки с разделением трущихся поверхностей достаточным слоем жидкого смазочного материала, предотвращающим непосредственный контакт, и хорошей изоляцией от загрязнений.
Расчеты на износостойкость предусматривают обеспечение жидкостной смазки, для чего необходимо иметь толщину масляного слоя, превышающую сумму микронеровностей и отклонений формы контактирующих поверхностей, или, при невозможности создания жидкостной смазки, обеспечение требуемого ресурса назначением допустимых давлений, установленных практикой.
При сравнительном анализе конструкций для оценки ресурса по износу, а также для распространения результатов экспериментов и опыта эксплуатации на другие условия применяют расчеты на износ на основе подобия в относительной форме. В частности, в качестве исходной принимают следующую зависимость, характеризующую износостойкость:
, (2.21)
где р – давление (контактное напряжение);
Ls – путь трения;
m – показатель степени.
Применение такой зависимости с постоянным показателем степени т, естественно, предполагает, что не происходит перехода от одного вида изнашивания к другому.
Как показывают результаты испытаний при абразивном изнашивании, а также при трении с малыми давлениями без смазочного материала, показатель т близок к единице; при трении без смазочного материала со значительными давлениями m = 1 … 2, в среднем 1,5; при полужидкостной смазке т около 3.