Виды изнашивания поверхностей деталей

Изнашивание – разрушение поверхностного слоя сопряженных деталей узлов и механизмов при трении, возникающем при перемещении сопряженных трущихся поверхностей. Более широкое понятие имеет – износ – изменение размеров, формы, массы детали или состояния ее поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо разрушения поверхностного слоя от трения. [6].

Различают следующие виды износа: абразивный (механический), молекулярно-механический и коррозионно-механический.

Механический (абразивный) износ происходит при сопряжении рабочей поверхности деталей с твердыми телами, которые могут царапать или резать. Например, износ зеркала цилиндра двигателя от наличия кварцевых частиц пыли во всасываемом воздухе.

Молекулярно-механический износ характеризуется выравниванием частиц рабочих поверхностей в результате их налипания и наволакивания, а так же переносом металла с поверхности одной сопряженной детали на поверхность и приповерхностный слой другого.

Коррозионно-механический износ происходит, когда трущиеся поверхности сопряженных деталей находятся в агрессивной среде(кислотной или щелочной), которая химически воздействует на них, в результате чего наряду с механическим происходит коррозионный износ.

При эксплуатации лесных машин износ деталей узлов и агрегатов носит более сложный, комплексный характер. Например, как указывалось выше, износ гильз цилиндров двигателя и поршневых колец происходит под действием абразива, продуктов сгорания топлива, образующих агрессивную среду, а также высокой температуры и давления и кислорода воздуха.

Существует зависимость между изнашиванием и износом, определяемая формулами:

 

,

 

где	Vи	- скорость изнашивания;
	и	- износ, мкм;
	t	- интервал времени, в течении которого возник износ.

 

 

,

 

где	Jн	- интенсивность износа;
	l	- линейная величина, на которой происходило изнашивание.

 

Величина, обратная скорости или интенсивности изнашивания, характеризует свойство материалов деталей узлов и механизмов лесных машин «противостоять» этому процессу и называется износостойкостью.

В общем случае изнашивание является случайным процессом, однако этот случайный процесс имеет особенность: так как по времени износ возрастает, то его зависимость от времени И(t) носит детерминированный характер. С другой стороны, из-за многообразия и случайного характера значение износа в каждый момент времени – случайная величина.

Наиболее подробно вопросы механизма трения, износа поверхностей движущихся деталей, находящихся в контакте и влиянии смазки рассматриваются в трибологии.

 

 

Понятие о трибологии

Трибология – наука об изучении явлений и механизмов трения, смазки и износа поверхностей движущихся сопряженных пар деталей узлов и механизмов машин и механизмов [14]. Промышленное значение этой науки состоит в увеличении срока службы машин и механизмов, и достижения максимального ресурсосбережения.

В задачи трибологии входят: исследование и анализ трения и износа; анализ и оценка трибологических разрушений; разработка технических условий по использованию материалов смазок и конструктивному исполнению узлов и механизмов машин; рекомендации по выбору оптимальных характеристик машин; оценка долговечности машин, разработка и выбор новых материалов и смазок.

При движении сопряженных пар деталей между ними возникает трение. По немецкому стандарту DIN50281, трение движения – трение, находящееся в относительном движении [14].

При трении сопряженных пар возникает сила трения: сила сопротивления при относительном перемещении одной детали по поверхности другой. Сила трения характеризуется коэффициентом трения (или фактором трения), который есть отношение силы трения к нормальной силе, прижимающих сопряженные детали друг к другу.

На практике регулируют следующие виды трения: трение скольжения, трение качения и сочетание этих двух видов трения.

В многих случаях действие процессов трения в элементах машин нежелательно, т.к. приводит к повышенному износу трущихся деталей, повышенному расходу энергии, нагреву и изменениям характеристик контактирующих материалов. В ряде случаев трение является необходимым условием для нормальной работы механизмов, например, в тормозных механизмах, сцеплениях, где требуются создание определенных условий трения.

В соответствии с DIN №50323 трибология включает в себя фундаментальные и прикладные науки, изучающие взаимодействие контактирующих поверхностей деталей по условиям различного вида трения и износа, а также применения смазочных материалов. Отсюда можно сделать вывод, что трибология тесно связана с химмотологией и может являться ее составной частью.

Практическое использование трибологии называется триботехнология, которая включает в себя следующие понятия: трибологические напряжения и повреждения (DIN №50323).

Трибологические напряжения – это напряжения возникающие в детали при контакте ее с другой движущейся деталью.

Трибологические повреждения – это повреждения, являющиеся следствием возникновения трибологических напряжений, помимо повреждений, вызванных износом, которые приводят к разрушению материала деталей узлов и механизмов машин.

В результате трибологических напряжений происходит постепенное отделение частиц с поверхностей сопряженных пар деталей в процессе движения. Этот процесс называется - изнашивание, которое характеризуется образованием частиц металла, а также изменениями в материале и поверхностных слоях детали, которая подвергается воздействию трибологических напряжений. Такого рода изнашивание, как правило, ухудшают функциональность узла или механизма (за исключением процесса приработки деталей в период обкатки).

Изнашивание может рассматриваться, как трибологическая система. Не существует специального параметра для оценки «сопротивления износу» как это имеет место, например, при оценке прочности, где существует предел прочности при растяжении материала и т.д. Трибологическая система включает в себя: контактирующие детали, смазку между ними; свойства деталей; взаимное влияние их друг на друга.

Трибологическая система, учитывает комплексное воздействие таких факторов, как усилие, скорость, температура на сопряженные детали в период движения.

В соответствии со стандартом DIN №50320 изнашивание может быть: при взаимодействии двух твердых тел (износ при скольжении, при качении, от вибрации); при взаимодействии твердого тела и жидкости (кавитационный износ). Износ проявляется в виде изменений поверхностных слоев трущихся деталей во время движения включает: адгезию; абразивное изнашивание, усталость поверхности, сопряженных деталей; трибо – химические реакции.

Адгезия – это образование и разрушения поверхностных связей (на атомном уровне). Перенос материала деталей наблюдается, когда это разрушение касается пограничного слоя сопряженных деталей. Процесс адгезии начинается на молекулярном уровне, но может и расшириться до таких величин, что будут наблюдаться явления «липкости» металла поверхности сопряженных деталей, которые приводят к задирам их поверхности.

Абразивное изнашивание – это разрушение поверхностей сопряженных пар деталей, находящихся в относительном движении, в результате взаимодействия с твердыми частицами.

Усталостное разрушение поверхности сопряженных пар деталей возникает под действием различных трибологических нагрузок (например, ударные, при качении со скольжением, кавитации) приводит к возникновению поверхностных напряжений, что приводит к отделению частиц износа от поверхностей деталей.

Трибо – химические реакции приводят к возникновению трибологических напряжений, в результате химических реакций между трущимися деталями, смазочной пленкой, находящейся между ними, и окружающей средой. В конечном итоге это приводит к усталостному разрушению поверхностей сопряженных пар деталей (изнашиванию). [14,20].

Количественные показатели износа непосредственно или косвенно отражают те изменения, которые оказывают влияние на форму или массу изнашиваемой детали (DIN №50321).

Одним из показателей износа является – коэффициент износа (k).

Коэффициент износа – это показатель интенсивности изнашивания, определяемый по формуле:

 

,

 

где	k	- коэффициент износа, мм^3/Н·м;
	Wv	- объемный износ, мм^3;
	F	- сила прижима, сопряженных деталей, Н;
	S	- расстояние скольжения поверхностей сопряженных деталей, м.

 

Для получения информации о механизмах, вызывающих изнашивание или разрушение деталей узлов и механизмов машин (например, лесных машин) проводится топографический и металлографический анализ материала деталей в зоне трибологического контакта. Эти исследования позволяют также получить данные, относящиеся к процессам, связанным с изменениями в характеристиках смазочного материала (моторные, трансмиссионные масла, пластичные смазки, гидравлические жидкости).

Для уменьшения трибологических свойств деталей узлов и механизмов машин, и машин в целом, проводятся мероприятия по замедлению изнашивания их. К ним относятся: изменения конструкций деталей узлов и механизмов машины; улучшение трибологических свойств материалов, их которых изготовлены детали машины; выбор смазочных материалов и оптимальной системы смазки.

Изменения конструкций деталей узлов и агрегатов машины включают: совершенствование топографии их поверхности (сопрягаемой части); снижение контактных давлений за счет увеличения отношения площади контакта и общей площади поверхности детали; упрочнение поверхности контакта; улучшение реологических свойств смазочного материала.

Улучшение трибологических свойств материалов для изготовления деталей может быть достигнуто путем механического упрочнения их поверхностного слоя; термообработкой и легированием их поверхностного слоя; применением химико-термических способов обработки; нанесением покрытия гальваническим или химическим путем; повторной поверхностной наплавкой; нанесением защитного металлического слоя; применением физических или методов охлаждения на контактной поверхности деталей паров сплавов, например, паров TiN, TiC и т.д. Таким образом имеется широкий диапазон возможных способов применения трибологии обеспечивающих выполнение требований к материалам деталей и узлов и агрегатов, например, лесных машин.

Выбор смазочных материалов и оптимальной системы смазки оказывает определяющее влияние на трибологические свойства материала сопряженных деталей. Поэтому выбор удовлетворяющего материала позволит уменьшить изнашивание сопряженных пар деталей, повысить их долговечность, и в конечном итоге повысить эффективность работы машин (например, лесных машин).

 

Основные понятия в химмотологической трибологии

Основные понятия в химмотологической трибологии включают:

- эксплуатационные жидкости: рабочие, бенгамовские, ньютоновые, дилатантные;

- ксплуатационные материалы: смазочные (с композицией присадок, работающие в условиях высоких давлений – ЕР – смазка, реопесные, тиксотропные);

- масла (минеральные, синтетические, полусинтетические);

- трибохиммотологическую реологию, изучающую свойства эксплуатационных жидкостей и материалов;

- материалы (реопексные, пластичные, тиксотропные).

- Бенгамовские жидкости – это жидкие смазочные материалы, реологические характеристики которых отличаются от ньютоновых жидкостей.

- Ньютоновские жидкости – это жидкости с прямой зависимостью напряжением сдвига и скоростью сдвига, на уклоне угол которого увеличивается пропорционально возрастанию вязкости.

- Дилатантные жидкости – это жидкости увеличесние вязкости, которых происходит с увеличением скорости сдвига.

- Реопексные материалы – смазочные материалы, увеличение вязкости которых происходит пропорционально времени сдвига, и возвращение к первоначальной вязкости наступает постепенно, по окончании действия сдвигающих усилий.

- Тиксотропные материалы – это смазочные материалы уменьшение вязкости которых происходит пропорционально времени сдвига, и возвращение к первоначальной вязкости протекает постепенно, по окончании действия сдвигающего усилия.

Остальные понятия получили подробное объяснение в разделе 3, «Эксплуатационные материалы»

 

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Влесной промышленности страны применяются следующие эксплуатационные материалы для лесозаготовительных и лесотранспортных машин: жидкие топлива, смазочные масла, пластические смазки и специальные технические жидкости. [3,4,7,8,9,10,11,12,13,14]

 

Жидкие топлива

Жидкие топлива (автомобильные бензины и дизельное топливо) харак­теризуются следующими основными качественными показателями: октано­вым и цетановым числами, испаряемостью, вязкостью, температурой засты­вания, температурой вспышки, воспламенения, самовоспламенения, плотно­стью, содержанием серы, механических примесей и воды. В соответствии с ГОСТ 425-83 и ГОСТ 305-82 показатели качества жидких топлив разделяются на обязательные для всех топлив (содержание серы, воды, механических примесей и др.) и обязательные для отдельных видов топлив (октановое и цетановое числа, фракционный состав, давление насыщенных паров).

 

Автомобильные бензины

Автомобильные бензины являются продуктами прямой перегонки и вторичной переработки более тяжелых нефтяных фракций. В соответствии с ГОСТ 2084-77 автомобильные бензины выпускаются четырех марок: А-72, А-76, АИ-93 и АИ-98.

Кроме того, выпускаются бензины: А-80 и А-92 (ТУ38.001165-87), А-95 «Экстра» (ТУ38.1011279-89), АИ-91 (ТУ38.1011225-89), А-93-этилированный (ТУ38.4015856-93). Автомобильные бензины АИ-91, АИ-95 «Экстра» выпускаются только неэтилированными с содержанием свинца не более 0,01 г/дм³ бензина.

Бензины остальных марок выпускаются как этилированные так и не этилированные. По ГОСТ 2084-77 изменилась окраска этилированных бензинов. В бензин А-76, АИ-93 и АИ-98 вводятся соответственно желтый, темно-красный и ярко-синий антрахиноновые жирорастворимые красители в количестве 5…6 мг на 1 кг бензина, за счет этого этилированные бензины приобретают желтый, оранжево-красный и синий цвета.

С 1999 года вступил в силу новый ГОСТ Р 51105-97 на неэтилированные бензины, в котором учтены все необходимые требования к свойствам бензинов практически в соответствии с зарубежными стандартами.

По ГОСТ Р 51105-97 в России выпускаются следующие марки неэтилированных бензинов:

Нормаль- 80 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 80;

Регулятор- 91 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 91;

Премиум- 95 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 95;

Супер- 98 с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 98.

Ввиду ужесточения требований к содержанию ароматических углеводородов, в бензинах снижается доля риформата и увеличивается доля алкилата и изомеризата, а также бензина гидрокрекинга. Разрешено применять нетоксичные антидетонационные прсадки (марганцевосодержащие, Экстралин, Ада и т.п) и добавки (этанол, МТБЭ и др.) оговаривая их в паспорте на продукцию.

В табл. 1 приведена классификация автомобильных и авиационных бензинов, выпускаемых промышленностью в настоящее время, по октановому числу.

Для двигателей автобусов применяются только неэтилированные бензины.

 

 

Таблица 1