Виды трения, смазки и изнашивания деталей машин. Меры по снижению интенсивности изнашивания

Виды трения, смазки и изнашивания деталей машин. Меры по снижению интенсивности изнашивания

Одной из наиболее распространенных причин постепенных отказов является износ (последствие изнашивания) деталей машин.

Изнашивание — процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Изнашивание является сложным физико-химическим процессом, зависящим от многих факторов: материала и качества трущихся поверхностей, скорости их взаимного перемещения, нагрузки, вида трения, смазывания, смазочных материалов и т.д.

Различают следующие виды трения: покоя, движения, скольжения, качения, без смазочного материала и со смазочным материалом. 

Смазочный материал — материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

Трение без смазочного материала происходит между двумя телами при отсутствии на поверхностях трения введенного смазочного материала любого вида. Твердые тела при этом взаимодействуют непосредственно. Такое трение сопровождается пластическими деформациями и даже временным прочным сцеплением отдельных точек контактирующих поверхностей. Что вызывает их интенсивное разрушение. Трение без смазочного материала наблюдается при работе звеньев гусениц в паре с направляющими и опорными катками гусеничных тракторов и т.д.

Трение со смазочным материалом происходит между двумя телами, поверхности трения которых покрыты введенным смазочным материалом любого вида.

Смазка — это действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшаются износ, повреждения поверхности и (или) сила трения.

Различают следующие виды смазки: в зависимости от физического состояния смазочного материала — газовую, жидкостную и твердую; в зависимости от разделения поверхностей трения смазочным материалом — гидродинамическую (газодинамическую), гидростатическую (газостатическую), эласто-гидродинамическую, граничную и полужидкостную (смешанную).

Газовая, жидкостная и твердая смазки — это такие смазки, при которых полное разделение поверхностей трения осуществляется соответственно газовым, жидким или твердым смазочным материалом.

Гидродинамическая (газодинамическая) смазка — это жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникаюшего в слое жидкости (газа) при относительном движении поверхностей.

Гидростатическая (газостатическая) смазка — жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется в результате поступления жидкости (газа) в зазор между поверхностями трения под внешним давлением.

Эласта-гидродинамическая смазка — смазка, при которой характеристики трения и толщина пленки жидкого смазочного материала между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов тел, а также реологическими свойствами смазочного материала.

Граничная смазка  — смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемной вязкости. При этом виде смазки тонкий слой (до 0,1 мкм) смазочного материала состоит из поверхностно-активных (полярных) молекул, которые адсорбируются металлическими поверхностями деталей и создают на них разделяющий детали слой смазочного материала. Поэтому коэффициент трения и износ поверхностей трения при граничной смазке зависят от адсорбирующих способностей металлических поверхностей и способности смазочного материала удерживаться на них.

Полужидкостная смазка — смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка, а полное разделение поверхностей трения смазочным материалом не осуществляется.

При гидродинамической смазке поверхности трения полностью разделены промежуточным слоем смазочного материала. Микровыступы этих поверхностей не входят в непосредственный контакт. Процессы трения и изнашивания характеризуются при этом не материалом трущихся поверхностей, а вязкостью смазочного материала, конструкцией и режимом работы соединения. При этом наблюдается наименьшая интенсивность изнашивания.

Однако гидродинамическая смазка возможна только при определенной толщине смазочного материала. При уменьшении толщины смазочного материала поверхности трения сближаются. Когда при сближении поверхностей от слоя смазочного материала останется только масляная пленка молекулярной толщины, возникает граничная смазка.

При граничной смазке действуют молекулярные силы поверхностей трения, а смазочный материал прочно адсорбируется на их поверхностях. Масляная пленка находится под воздействием молекулярных сил, оказывает сопротивление образованию контакта микровыступов трущихся поверхностей, предохраняет их от разрушения.

Механическое изнашивание представляет собой процесс деформации и разрушения поверхностных слоев, происходящий в результате механического взаимодействия микронеровностей взаимно перемещающихся плоскостей.

Сближение поверхностей с микронеровностями приводит как к контакту микронеровностей, так и к взаимному проникновению микровыступов одной из поверхностей во впадины другой. При относительном перемещении трущихся поверхностей происходит смятие, сдвиг или изгиб микронеровностей. Одни из них испытывают упругие деформации, другие — пластические. При этом контактное давление на отдельных микровыступах достигает больших значений. При таком давлении в контактных точках возникают температурные вспышки, при которых происходит сваривание микровыступов с почти мгновенным разрывом мостиков сварки. В результате описанных процессов происходит разрушение и деформация трущихся поверхностей.

Кроме механического воздействия при механическом изнашивании наблюдается молекулярное взаимодействие поверхностей трения.

Для уменьшения интенсивности механического изнашивания необходимо при механической обработке деталей обеспечивать оптимальную шероховатость поверхности. Например, для шатунных и коренных шеек коленчатого вала оптимальная шероховатость поверхности Ra 0.16...0,32 мкм, что обеспечивается шлифованием и полированием. Эффективным способом уменьшения интенсивности механического изнашивания является создание условий для жидкостного трения. Чем меньше частота вращения и чем больше удельная нагрузка на подшипник, тем больше должна быть вязкость масла для сохранения необходимой толщины масляного слоя. Перегрузка подшипника приводит к резкому уменьшению толщины масляного слоя. При пусках и остановках машин масло выжимается из зазора между поверхностями трения, поэтому в этот момент наблюдается интенсивное изнашивание. Пуски особенно опасны при низких температурах. Вот почему важно подогревать масло и воду перед пуском двигателя.

Разновидностями механического изнашивания являются: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, гидроэрозионное, газоэрозионное, кавитационное, усталостное изнашивание, а также изнашивание при фреттинге и заедании.

Абразивное изнашивание материала детали происходит в результате режущего или царапающего действия на него твердых (абразивных) частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Абразивные частицы содержатся в почве, дорожной пыли, а также могут образовываться в процессе трения в подвижных соединениях в виде продуктов изнашивания, оксидов и других химических соединений. Для уменьшения интенсивности абразивного изнашивания необходимо повышать твердость трущихся поверхностей путем термической обработки, наплавки, хромирования и другими способами, а также предотвращать проникновение абразивных частиц к поверхностям трения с помощью уплотнений, воздухоочистителей и фильтров.

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — это абразивное изнашивание в результате действия твердых абразивных частиц или тел, увлекаемых потоком жидкости (газа). Абразивные частицы попадают в поток жидкости (газа) в результате загрязнения топлива, масла, рабочих жидкостей при заправках, неудовлетворительной герметизации и фильтрации. Гидроабразивному (газоабразивному) изнашиванию подвергаются детали насосов, гидроприводов, гидроусилителей, цилиндропоршневой группы двигателей.

Для снижения интенсивности гидроабразивного (газоабразивного) изнашивания необходимо также как и при абразивном изнашивании повышать твердость поверхностей деталей, не допускать зафязнения топлива, масла и рабочих жидкостей при заправках, вовремя заменять и следить за исправностью фильтров и воздухоочистителей, уплотиительных элементов машин.

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание — это изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа). 

Кавитационное изнашивание — это механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости (или наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности детали, что создаст высокое местное давление или высокую температуру. Пузырьки газа образуются при нарушении сплошности потока жидкости. Захлопываясь вблизи поверхности твердого тела, они создают мощный гидравлический удар жидкости по поверхности металла. Сосредоточение в одном месте на металлической поверхности большого количества таких ударов вызывает разрушение металла в виде каверн (полостей) диаметром 0,2... 1,2 мм. Такому виду изнашивания подвержены поверхности гильз цилиндров, посадочные пояски блоков цилиндров под гильзу, лопасти водяных насосов и другие детали, омываемые потоком жидкости.

Для увеличения долговечности деталей, подвергающихся кавитационному изнашиванию, необходимо исключать вибрации, повышать жесткость, коррозионную стойкость и твердость деталей. Интенсивность разрушения однородных по составу металлов снижается с увеличением твердости.

Усталостное изнашивание — это механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Усталостное изнашивание происходит в процессе трения, при котором под действием больших повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, возникают микропластические деформации сжатия. При многократных деформациях одних и тех же участков на поверхности детали появляются микро-и макроскопические трещины, которые в дальнейшем в результате отслаивания и выкрашивания частиц металла приводят к возникновению осповидных углублений и впадин.

Усталостное изнашивание при высоких контактных давлениях наблюдается на беговых дорожках подшипников качения, зубьях шестерен и других деталях.

Основным мероприятием, обеспечивающим снижение интенсивности усталостного изнашивания, является снижение контактных давлений между соприкасающимися поверхностями путем более равномерного их распределения по длине зуба и между телами качения. Этого можно достичь более точным монтажом и соблюдением оптимальных зазоров и натягов в подвижных и неподвижных соединениях.

Изнашивание при фреттинге — это механическое изнашивание соприкасающихся поверхностей при их колебательном относительном микроперемещении. Это изнашивание происходит при ослаблении затяжки резьбовых соединений. Эффективный способ уменьшения такого изнашивания — своевременная подтяжка резьбовых соединений.

Изнашивание при заедании — это изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания металла, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность. Такое изнашивание возникает при значительных удельных нагрузках и граничной смазке и сопровождается выделением значительного количества теплоты, высоким коэффициентом трения и наибольшей интенсивностью изнашивания. Для снижения вероятности возникновения изнашивания при заедании необходимо снижать шероховатость поверхностей, конусность и эллипеность деталей при механической обработке, улучшать условия смазки сопряженных поверхностей, соблюдать рекомендации по обкатке, не допускать перегрузок подвижных соединений в процессе эксплуатации.

Коррозионно-механическое изнашивание — это изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. К коррозионно-механическому изнашиванию относятся окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание — это коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом воздуха или окисляющей окружающей средой.

При окислительном изнашивании одновременно протекает пластическое деформирование малых объемов металла поверхностных слоев и проникновение кислорода воздуха в деформированные слои. На первой стадии окислительного изнашивания разрушаются и удаляются мельчайшие твердые частицы из непрерывнообразующихся в результате проникновения кислорода оксидных пленок, на второй стадии происходит образование и выкрашивание пластически недеформирующихся хрупких оксидов.

Окислительное изнашивание наблюдается при сравнительно невысоких скоростях скольжения и удельных нагрузках при трении скольжения и качения, а также у таких деталей, как шейки коленчатых валов, цилиндры двигателей, поршневые пальцы.