АНАЛИЗ ВИДОВ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И ИЗНОСА ПРИ ТРЕНИИ

Цель работы. Ознакомление с современными классификациями видов повреждаемости и изнашивания пар трения; изучение характерных особенностей различных видов разрушения поверхностей пар трения; приобретение навыков идентификации видов повреждаемости и износа при трении реальных поверхностей и анализа возможных причин появления данного типа изнашивания.

Краткие теоретические сведения

В виду сложности процессов, протекающих в поверхностных слоях твердых тел при изнашивании, различия условий и режимов работы узлов трения и причин изнашивания, невозможно предложить строгие единые классификационные признаки всего многообразия процессов изнашивания.

Наибольшее распространение получила следующая классификация видов изнашивания (ГОСТ 27674-88 «Трение, изнашивание и смазка. Основные термины и определения») по характеру воздействия на поверхность трения и протекающих на ней процессов при эксплуатации машин:

1. Механическое изнашивание - изнашивание в результате только механических воздействий.

2. Молекулярно-механическое изнашивание - изнашивание в результате одновременного механического воздействия и молекулярных или атомных сил.

3. Коррозионно-механическое изнашивание - изнашивание при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

4. Абразивное изнашивание - механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц.

5. Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание - гидроэрозия, гидроабразивная эрозия - механическое изнашивание в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).

6. Усталостное изнашивание - механическое изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала поверхностного слоя, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Усталостное изнашивание может происходить при качении и скольжении.

7. Изнашивание при фреттинге - механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении.

8. Эрозионное изнашивание (эрозия) - механическое изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа.

9. Кавитационное изнашивание - механическое изнашивание поверхности при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру.

10. Изнашивание при заедании - молекулярно-механическое изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

11. Окислительное изнашивание - коррозионно-механическое изнашивание при наличии на поверхностях трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом.

12. Изнашивание при фреттинг-коррозии - коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

13. Электроэрозионное изнашивание - изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Некоторые виды изнашивания показаны ниже.

Рис. 2. Участки контактно-усталостного выкрашивания на рабочих поверхностях зубьев шестерен вагонов [5]

Рис. 3. Характер кавитационных разрушений центрирующих поясов втулок цилиндров двигателя 6ДМ50М: а - верхнего пояса после 10 тыс. ч работы двигателя (БМРТ «Алтай»); б - нижнего пояса после 10 435 ч. работы двигателя (БМРТ «Березники»)[4]

Рис. 4. Участок вала, показывающий изнашивание при заедании

Рис. 5. Контактно-усталостное выкрашивание на беговой дорожке наружного кольца роликового буксового подшипника [5]

Рис. 6. Контактно-усталостное выкрашивание на поверхности катания колеса [5]

Значительный практический интерес представляет классификация видов повреждаемости и износа, данная Б.И.Костецким с сотрудниками [6], основанная на расчете удельной работы разрушения.

В наиболее общем случае все виды разрушения поверхностей при трении Б.И.Костецкий предложил разделять на нормальные (допустимые) виды изнашивания и повреждаемость - недопустимые виды изнашивания, которые резко ограничивают ресурс работоспособности технических систем с трением, а также определяют экстремальные (аварийные) режимы работы трибосистемы.

Наиболее типичным представителем нормального вида изнашивания является окислительный износ, создающий на поверхности пленку (вторичную структуру) окисленного материала, который разделяет поверхности материалов, и внутри которой в дальнейшем реализуется трение и развивается износ.

Ниже приведены обобщенные результаты этой классификации (рис. 7-15).

Рис. 7. Нормальный механохимический износ поршневого пальца авиационного двигателя: а - общий вид; б - электронная фотография поверхности трения (I тип вторичных структур); в - электронная фотография продуктов изнашивания; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 8. Нормальный механохимический износ вкладыша подшипника двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; б - электронная фотография поверхности трения (II тип вторичных структур); в - электронная фотография продуктов изнашивания; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 9. Механохимическая форма абразивного изнашивания лапы культиватора: а - общий вид; б - микрофотография поверхности трения; в - электронная фотография, иллюстрирующая разрушение пленок вторичных структур зернами абразива; г - схема взаимодействия абразивной частицы с поверхностью металла

Рис. 10. Механическая форма абразивной повреждаемости вкладыша подшипника двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; б - микрофотография поверхности трения; в - микрофотография продуктов повреждаемости; г - схема взаимодействия абразивной частицы с поверхностью металла

Рис. 11. Повреждаемость схватыванием I рода зуба шестерни: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 12. Повреждаемость схватыванием II рода тарелки толкателя двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; в - фотография продуктов повреждаемости; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 13. Повреждаемость при фреттинг-процессе (динамическое окисление) вкладыша подшипника двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; в - фотография продуктов повреждаемости; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 14. Повреждаемость при фреттинг-процессе (сочетание схватывания и динамического окисления) кольца шарикоподшипника: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; в - фотография продуктов повреждаемости г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 15. Повреждаемость при питтинге (специфическая форма усталостного разрушения при трении качения) шестерни: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; в - структура поверхностных слоев в сечении; г - схема строения поверхностных слоев

Общие характеристики износа и повреждаемости представлены в таблице .

Характеристики износа и повреждаемости

Таблица

Процессы износа и повреждаемости	Коэффициент трения	Глубина разрушающегося слоя, мм	Изменение фазового состава поверхност-ных слоев	Относительное изменение твердости поверхностных слоев	Температура поверхностного слоя	Сопутствующие процессы
Нормальный механо-химический износ	0,01 - 0,1	0,001 - 0,01	Образование вторичных структур	3 - 10	До 300	Механическое повреждение поверхности продуктами износа
Механо-химичес-кая форма абразивного износа	0,05 - 0,3	До 0,1	То же	3 - 10	До 300	То же
Фреттинг-процесс	0,1 - 1,0	До 0,05	Динамическое окисление	1,5 - 5	До 300	“ ”
Схватывание II рода	0,1 - 1,0	До 1	Вторичная закалка, отпуск	0,3 - 5	До температуры плавления металла	Высокотемпе-ратурное окисление
Схватывание I рода	0,5 - 40	До 3 - 4	Нет	1,5 - 4	До 200	Низкотемпера-турное окисление
Механическая форма абразивной повреждаемости	-	До 0,5	Нет	1 - 2	-	То же

Материал, оборудование, инструменты

В качестве изучаемых объектов используются поверхности пар трения различных узлов различных технических систем. Анализ видов повреждаемости и износа производить визуальным способом с использованием при необходимости средств увеличения (лупа, оптический микроскоп).

Порядок выполнения работы

1. Выбрать с демонстрационного стеллажа две детали (поверхности трения), бывшие в эксплуатации в реальной технической системе.

2. Произвести осмотр поверхностей трения визуальным способом, либо с использованием средств увеличения.

3. С учетом, приведенных выше, классификаций видов изнашивания и повреждаемости и представленных на фото и рисунках общего вида, соответствующих поверхностей, произвести идентификацию вида повреждаемости или износа, имеющих место на ваших образцах.

4. Определить назначение вашей детали и, исходя из условий ее работы, представить возможные причины разрушения ее поверхности в соответствии с видом изнашивания.

5. Результаты выполненного анализа заэскизировать, дать необходимые пояснения и представить в виде отчета.

6. Рассмотреть поверхности трения деталей пищевых машин, которые приведены в приложении и указать к каким видам изнашивания или повреждаемости они относятся.