Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

ких воздействиях, смазка подвергается химическим изменениям в результате вторичных процессов и влияния обнажающихся металлических поверхностей. При износе металлов на масля­ ную пленку больше всего влияет температура на поверхности трения.

Уменьшение сил трения при тонком слое смазки объясняется не только защитной ролью пленки смазки, равномерно распре­ деляющей давление, но и пластифицированием тонкого поверх­ ностного слоя — эффектом П. А. Ребиндера. В процессе трения и износа металлов происходят: упругое и пластическое деформи­ рования микронеровностей и пластическое течение в твердых поверхностных слоях, приводящее к пластическому износу, т. е. изменению размера трущихся тел без заметного разрушения их поверхности; повторные микропластические деформации при пе­ риодических встречах микронеровностей, приводящие к устало­ стному разрушению поверхностей; изменение механических ri физических свойств поверхностных слоев металла вследствие пластической деформации.

Износ поверхности трения происходит при удалении матери­ ала на отдельных участках фактического контакта сопряжен­ ных пар в результате выцарапывания (микрорезания или среза внедрившейся микронеровности, если она недостаточно проч­ на), выкрашивания (пластического оттеснения материала), от­ слаивания (упругого оттеснения), микроразрушения (охватывания пленок, покрывающих поверхности, и их разрушения — ад­

онных связей наблюдаются при механическом взаимодействии, последние два — при молекулярном.

Износ характеризуется линейной интенсивностью, пред­ ставляющей собой отношение высоты изношенного слоя к прой­ денному пути или объема изношенного слоя к произведению номинальной площади касания на пройденный путь, и весовой интенсивностью, энергетической интенсивностью.

Ниже приведены аналитические зависимости, показывающие связь величины износа со свойствами материалов и внешними условиями, в которых происходит износ рабочих поверхностей деталей [56].

В случае скольжения жесткого цилиндра по пластическому полупространству теория пластичности дает выражение для оп­ ределения отношения глубины внедрения h цилиндра к его ра­ диусу г (радиусу единичной неровности) в зависимости от адге­ зии, при которой деформированный материал перестает обтекать

работающих при жидкой или консистентной смазке, толщина таких покрытий составляет 0,1—1,5 мкм.

Большое значение имеет шероховатость металлической по­ верхности, так как при малых величинах радиуса и соответст­ венно относительных внедрениях, превышающих критическое значение, будет возникать задир. Радиус единичной неровно­ сти сильно меняется в зависимости от вида обработки и для приработанных поверхностей составляет 30—100 мкм.

В зависимости от назначения узла трения коэффициент тре­ ния должен иметь минимальные (для подшипниковых узлов)

Рис. 50. Коэффициент трения f в зависимости от нагрузки:

1— для никеля; 2— для хрома

или максимальные (для тормозных устройств) значения. При увеличении нагрузки коэффициент трения переходит через ми­ нимум (рис. 50), т. е. для каждой пары трения имеется нагруз­ ка, при которой коэффициент трения принимает наименьшее значение. При увеличении температуры меняются свойства ма­ териалов, и поэтому оценка фрикционной теплостойкости при­ обретает большое значение.

Величину коэффициента трения в зависимости от геометри­ ческих и физико-механических свойств поверхности и внешних условий можно определить по формуле

l = - i + h + K v ' ^ -

где то — прочность адгезионной связи на срез при отсутствии сжимающей силы;

Яф— фактическое давление;

ßy — коэффициент упрочнения адгезионной связи;

К — величина, зависящая от геометрии поверхностей (К = = 0,4 — для шероховатых поверхностей, имеющих сфе­ рические неровности).

Для упругого контакта при малых нагрузках и отсутствии смазки коэффициент трения практически определяется первыми двумя членами формулы, т. е. решающее значение имеет проч­ ность адгезионной связи между покрытием и металлом; при больших нагрузках и наличии смазки коэффициент трения опре­ деляется последним членом формулы. Адгезионная связь должна

быть минимальной для подшипниковых материалов и макси­ мальной для тормозных.

Фактическое давление определяется по формуле (для доста­ точно гладких поверхностей)

в 1

где Е — модуль упругости; qK— контурное давление;

г — радиус единичной неровности; Rz -— высота неровности.

Из последних двух формул следует, что коэффициент трения в основном зависит от давления, прочности адгезионной связи, модуля упругости материала и геометрии поверхности.

В зависимости от вида нарушения фрикционной связи отде­ ление частиц материала контактирующих поверхностей проис­ ходит при разном числе взаимодействия. Во всех случаях износ определяется объемом деформированного материала и отлича­ ется тем, что частицы материала отделяются в результате одно­ кратного или многократного силового воздействия на деформи­ рованный объем.

Износ в условиях контактного предела выносливости возра­ стает при повышении давления и увеличении коэффициента тре­ ния, а уменьшается при увеличении модуля упругости и числа циклов до разрушения.

В случае усталостного износа не наблюдается полной анало­ гии между кривой усталости Велера и зависимостью износа от нагрузки и силы трения. Это объясняется тем, что при износе влияние оказывают также сопутствующие факторы: шерохова­ тость поверхности, упруго-пластические свойства материала, из­ менение структуры и др. В случае усталостного износа при уп­ ругом контакте или абразивном износе факторы, влияющие на износ, резко отличаются.

При пластическом контакте (малоцикловой усталости) вли­ яние этих факторов носит промежуточный характер. При опре­ делении влияния отдельных факторов на величину износа обыч­ но устанавливают влияние ведущего фактора на износ, напри­ мер, давления, шероховатости поверхности, коэффициента трения и т. п.

В реальных условиях износ происходит в результате одно­ временного действия нескольких факторов, что может привести к одновременному разрушению, например, от усталости и абра­ зивного износа. В этом случае эквивалентную величину износа можно определить в зависимости от коэффициента а, характе­ ризующего влияние того или иного вида износа. Например, на

части фактической площади касания aFф может быть микроре­ зание (абразивный износ), а на остальной части (1 — а)Гф разрушение происходит в результате усталости. Точность рас­ четов зависит от достоверности данных о процессе износа, физи­ ко-химических свойствах материала изнашиваемых сборочных единиц, геометрических свойствах поверхностей трения, темпе­ ратуре на поверхности трения.

Для оценки долговечности машины в эксплуатации необхо­ димо располагать данными о характере режимов эксплуатации [56]. Например, если при нагрузке Р интенсивность износа

J = JiP,

а вероятность данной нагрузки Р равна Ф, то средняя интенсив­ ность износа

Jcp = j J i P O d P

О

или, выражая Ф как нормальный закон распределения по Гаус­ су, получим

поверхностей деталей всегда происходит при местных контакт­ ных напряжениях. При контактном нагружении твердого тела, как и при нагружениях других видов наблюдаются упругая и пластическая деформации, а также разрушения путем среза и отрыва.

Изучение пластической деформации и вызываемых ею струк­ турных изменений при износе имеет большое значение для изу­ чения сложных явлений изнашивания, так как пластическая де­ формация является одним из видов нарушения поверхностной прочности и служит первичным процессом, при котором созда­ ются условия для протекания большинства вторичных элемен­ тарных процессов износа.

Развитие пластической деформации при износе определяется напряженным состоянием поверхностных объемов, возникаю­ щих при контактном нагружении, и действием среды, в том чис­ ле и смазки.

Частным случаем сложных явлений, происходящих при кон­ тактном нагружении, можно считать износ поверхности деталей

ляется следствием механического, ударного действия (гидрав­ лического, газового), локализованного в объемах, соизмеримых с размером отдельного зерна или его части, т. е. в микрообъе­ мах металла. Конструктивная прочность материала при кавита­ ционно-эрозионном износе определяется прочностью отдельных микрообъемов, структурой и свойствами зерна и его границ. Ха­ рактер пластической деформации отдельного элемента структу­ ры — микрообъема обусловлен природой данного материала, в общем виде его структурой: микроскопической, мозаичной, атомной и электронной.

Разный характер деформации микрообъемов и распределе­ ния деформированной волны по поверхности и в глубь металли­ ческого изделия требует разных способов повышения прочности

ности границ между зернами.

Работоспособность материала в узле трения зависит в ос­ новном от сочетания материалов в паре трения, геометрических характеристик узла трения и внешних условий работы. Опыт показывает, что пониженную износостойкость имеют такие пары, как алюминиевый сплав по хромовому покрытию, медный сплав по алюминиевому сплаву, никель по никелю, пластмасса по пластмассе, пластмасса по латуни, алюминию, незакаленная сталь по незакаленной стали.

Влияние геометрических характеристик на работу узла тре­ ния можно проследить на следующих примерах. Поршень из алюминиевого сплава оказался неработоспособным в азотиро­ ванном цилиндре. После некоторого времени работы на юбке поршня возникали задиры, происходил перенос материала порш­ ня на зеркало цилиндра. После того как на поверхность поршня были нанесены небольшие канавки для удержания смазки, пара

тания материалов в паре трения, от конструкции сборочной еди­ ницы и от условий эксплуатации.

Расположение материалов в узле трения. Работоспособность и надежность работы трущихся сочленений в большой степени зависят от того, как в нем расположены материалы [95].

В сочленении, образованном скользящими поверхностями, имеющими разные твердости и размеры площадей трения, целе­