Основні закономірності зношування

В процесі роботи машини показники зношування деталей і спряжень не зберігають постійних значень. Зміну зносу деталей від часу в загальному випадку можна представити у виді моделі, запропонованої В. Ф. Лоренцом (рисунок 5.1). Вона ха­­­рактеризується наявністю трьох стадій або етапів.

Перша стадія, тривалість якої складає незначну долю від роботи спряження (переважно 1,5-2% загального ресурсу), харак­­­теризує нестаціонарний режим зношування, має високі, але поступово спадаючі швидкості зносу.

Поверхня нової, ще не експлуатованої деталі, має свою шорсткість сформовану в процесі виготовлення. Така шорсткість називаєтья технологічною. В період прироблювання проходить згладжування найбільш виступаючих нерівностей, часткове або повне знищення первинних і виникнення нових нерівностей, які відрізняються як по формі так і по розмірам. Формується так звана експлуатаційна шорсткість. Відбувається приспособлюваність матеріалів в процесі тертя, яка є здатністю до спонтанного формування пара­­­метрів тертя, адекватних зовнішнім умовам, які забезпечують стабільність і стійкість тертя. Експериментально встановлено, що експлуатаційна шорсткість, практично не залежить від величини і виду технологічної шорсткості, отрима­­­ної при механічній обробці, а визначається матеріалами пари тертя і умовами зношування, тобто тиском, температурою, особливостями змащування і т.п.

Ця шорсткість називається зрівноваженою і в даних умовах тертя є оптимальною, тобто такою, що забезпечує мінімальне зношування. Зрівноважена шорсткість може бути як більшою, так і меншою від вихідної, технологічної. Зрівноважена шорсткість відтворюється в процесі нормального зношування.

На другій стадії, самій тривалій в часі, проходить стабілізацію умов тертя, швидкість зношування невелика і приблизно однакова. Ця ділянка відповідає нормальній роботі вузла тертя в період експлуатації після прироблювання.

Швидкість зношування визначається графічним дифе­­­ренціюванням (крива 2 на рисунку 5.1), як тангенс кута нахилу дотичної, проведеної в точці графіка, відповідній часу t.

Накопичення змін геометричних розмірів і фізико-ме­­­ханічних властивостей деталей веде до погіршення умов роботи спряження. Основними чинниками при цьому є підвищення ди­­­намічних навантажень внаслідок збільшення зазорів в парах тер­­­тя, підвищення температур, стирання захисних, зносостійких шарів. В результаті наступає період катастрофічного або прог­­­ресивного зношування (рисунок5.1, ділянка Ш). Цей період харак­­­теризує граничний стан і обмежує ресурс.

Процес зношування залежить від цілого ряду випад­­­кових чинників, до яких відносяться: нестаціонарний режим ро­­­боти машини, коливання в межах допуску властивостей конструкційних і мастильних матеріалів, робочих рідин, вплив навколишнього се­­­редовища і т.д. Характер зміни і степінь впливу цих чинників звичайно трудно передбачити заздалегідь з достатньою степінню визначеності. Тому процес накопичення зношування деталей ма­­­шин характеризується великим розсіюванням (рисунок 5.2). Якщо че­­­реп С позначити граничний допуск на зношування, то напрацювання до значення t₂ і t₁ буде суттєво відрізнятись для одних і тих же деталей. Для призначення гарантійних і ремонтних термінів таке розсіювання грає значну роль. Для врахування розкиду значень зношування необхідно провести імовірнісний аналіз зношування, який дозволяє оцінити вплив окремих випадкових чинників на розвиток загального процесу зношування.

Рисунок 5.2– Імовірнісний характер просесу зношування

Ще одним важливим чинником, який відіграє суттєву роль в досягненні елементом тертя граничного розміру є початковий допуск на виготовлення. Якщо вважати, що якась деталь буде спрацьовуватись не з середини номінального розміру (точки 0 на рисунку 5.2), а з верхнього або нижнього допуску (точка +1 і -1 відповідно), то картина досягнення границі С різко змінюється.

Конструкторсько-технологічними і експлуатаційними метода­­­ми прагнуть скоротити період прироблювання, збільшити період нормального і уникнути період катастрофічного зношування. В деяких випадках зношування протікає по інших зако­­­номірностях. Характер кривої 1 (рисунок 5.3) відповідає спрацюванню циліндропоршневих пар. Зустрічаються різновидності даної кри­­­вої, наприклад, коли накопичення негативних чинників, які впливають на процес, продовжується безперервно і не має різниці між П і Ш стадією (крива 2 на рисунку 5.2). Це характерно для зношування ріжучого інструменту, деяких типів підшипників ковзання з самомастильних матеріалів при зростаючій дії абра­­­зиву. Крива 3 описує стаціонарне зношування деяких компо­­­зиційних матеріалів.

Рисунок 5.3– Залежність зносу від часу для різних вузлів тертя

Характер зношування і закономірність зміни зносу в часі пояснюється цілим рядом і невипадкових причин, дію яких неваж­­­ко прогнозувати заздалегідь. До таких невипадкових, детерміно­­­ваних причин відносяться: зміна площі контакту деталей в про­­­цесі зношування, зміна фізико-механічних властивостей ма­­­теріалів деталей по глибині, ріст динамічних навантажень і погіршання умов змащування по мірі збільшення зазорів в спряжен­­­нях і т.д.

Крива Лоренца дозволяє пояснити негативні наслідки необг­­­рунтованого, передчасного розбирання спряжень деталей в любій точці, наприклад, 0₁ (рисунок 5.1). Це приводить до появи нового періоду прироблювання, який, як видно з графіку, характери­­­зується підвищеною інтенсивністю зношування. Якщо техно­­­логічна операція розбирання спряження необхідна, то негативні наслідки зменшують шляхом розмітки деталей і встановленням їх точно на своє попереднє місце.

Таким чином, для повного математичного опису зако­­­номірностей зношування необхідно:

- отримати залежності зношування від тривалості роботи без врахування впливу випадкових чинників, тобто детерміновами значеннями чинників;

- визначити імовірнісні характеристики зношування як випадкового процесу;

- на основі імовірнісних характеристик встановити верхню і нижню границю - криві, в межах яких містяться всі можливі реалізації зношування даного спряження.

Області застосування закономірностей зношування спряжень машин і агрегатів дуже широкі. Визначення залежності зношування деталей від часу необхідне для оцінки кількості запасних частин, для планування технічних дій при експлуатації, а також при прогнозуванні надійності машин на стадії їх конструювання.