Изнашивание

От 80 до 90 % подвижных сопряжений машин выходят из строя вследствие износа. При этом снижаются КПД, точность, экономичность, надежность и долговечность машин. Процесс взаимодействия поверхностей при их относительном движении изучает трибология, объединяющая проблемы трения, износа и смазки.

Различают четыре вида трения:

1. Сухое трение возникает при отсутствии смазки и загрязнений между трущимися поверхностями. Обычно сухое трение сопровождается скачкообразным перемещением поверхностей.

2. Граничное трение наблюдается в том случае, когда поверхности трущихся тел разделены слоем смазки толщиной от 0,1 мкм до толщины одной молекулы, который называется граничным. Его наличие снижает силы трения от двух до десяти раз по сравнению с сухим трением и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз.

3. Полусухое трение – это смешанное трение, когда на площади контакта тел трение местами граничное, а на остальной части сухое.

4. Жидкостное трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности полностью разделены толстым слоем смазки. Слои смазки, находящиеся от поверхности на расстоянии свыше 0,5 мкм, имеют возможность свободно перемещаться один относительно другого. При жидкостном трении сопротивление движению складывается из сопротивления скольжению слоев смазки относительно друг друга по толщине смазочного слоя и зависит от вязкости смазочной жидкости. Этот режим характеризуется весьма малым коэффициентом трения и является оптимальным для узла трения в отношении его износостойкости. Следует отметить, что иногда в одном и том же механизме могут наблюдаться различные виды трения.

Изнашивание обычно подразделяется на две группы:

1. Механическое – возникает в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся между поверхностями трения: 1) абразивное – изнашивание поверхности детали, которое происходит в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц; 2) эрозионное (гидроабразивное, газоабразивное, электроэрозионное) – изнашивание происходит в результате воздействия на поверхность детали движущегося с большой скоростью потока жидкости, газа, твердых частиц, в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока; 3) кавитационное – изнашивание возникает при относительном движении твердого тела и жидкости в условиях кавитации. Кавитация наблюдается в жидкости при падении давления в ней до давления насыщенных паров, когда нарушается сплошность потока жидкости и образуются кавитационные пузыри. В момент достижения предельного размера они начинают схлопываться с большой скоростью, что приводит к гидравлическому удару на поверхности металла; 4) усталостное – изнашивание под действием знакопеременных напряжений. Ему подвержены зубчатые передачи, подшипники качения и скольжения; 5) адгезионное – изнашивание (изнашивание при заедании) происходит при схватывании металлов в процессе трения с образованием прочных металлических связей в зонах непосредственного контакта поверхностей; 6) изнашивание при фреттинге – это механическое изнашивание мест проскальзывания плотно контактирующих поверхностей, находящихся под нагрузкой при колебательных, циклических, возвратно- поступательных относительных перемещениях с малыми амплитудами.

2. Коррозионно-механическое – возникает при трении материалов, вступающих в химическое взаимодействие с окружающей средой: 1) окислительное изнашивание – происходит в том случае, когда кислород, содержащийся в воздухе или в смазке, вступает во взаимодействие с металлом и образует на нем оксидную пленку, которая при трении истирается или отрывается от металла и удаляется со смазкой, а затем образуется вновь; 2) изнашивание при фреттинг-коррозии заключается в образовании на поверхностях взаимного касания деталей язвинок и продуктов коррозии в виде порошка или налета. Изнашивание при этом зависит от одновременно протекающих процессов микросхватывания, усталостного, коррозионно-механического и абразивного воздействия.

Основными количественными характеристиками изнашивания являются износ, скорость изнашивания, интенсивность изнашивания. Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Износ (абсолютный или относительный) характеризует изменение геометрических размеров (линейный износ), массы (весовой износ) или объема (объемный износ) детали вследствие изнашивания и измеряется в соответствующих единицах. Скорость изнашивания V_и (м/ч; г/ч; м³/ч) – отношение износа к интервалу времени, в течение которого он возник.

Интенсивность изнашивания – отношение износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему проделанной работы. При линейном износе интенсивность изнашивания является безразмерной величиной, а при весовом – измеряется в единицах массы, отнесенной к единице пути трения.

Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения характеризуется износостойкостью – величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания, в соответствующих единицах.

В процессе работы машины показатели изнашивания деталей и сопряжений не сохраняют постоянных значений. Изменения износа деталей во времени в общем случае можно представить в виде модели, предложенной В.Ф. Лоренцом. В начальный период работы, называемый периодом приработки, наблюдается довольно быстрый износ деталей. Продолжительность этого периода обусловливается качеством поверхностей и режимом работы механизма и составляет обычно 1,5-2% ресурса узла трения. После приработки наступает период установившегося режима изнашивания, определяющий долговечность сопряжений. Третий период – период катастрофического изнашивания – характеризует предельное состояние механизма и ограничивает ресурс. Процесс изнашивания оказывает определяющее влияние на возникновение отказов и неисправностей узлов трения машин.

Изменение показателей надежности во времени идентично изменению показателей изнашивания.

Описанная закономерность является условной и служит лишь иллюстрацией процесса изнашивания элементов машин.