Основы трибологии

Для снижения величины адгезионного износа применяют сплавы на основе металлов с гексагональной кристаллической структурой и с плотной упаковкой атомов. Некоторые легирующие элементы, такие как углерод и сера, также уменьшают адгезионный износ сталей.

10.2 Усталостное изнашивание

Усталостное изнашивание возникает при повторном деформировании в процессе трения микрообъемов материала поверхностного слоя. Характерным признаком усталостного изнашивания является возникновение сетки поверхностных и подповерхностных микротрещин, которые, соединяясь, способствуют образованию частиц износа. В результате на поверхностях трения, образуются дефекты в виде ямок, оспинок, раковинок диаметром от десятка микрометров до нескольких миллиметров (называемых, питтингом).

При наличии концентраторов напряжения процесс усталостного изнашивания ускоряется. К концентраторам напряжений относят дефекты поверхности в виде царапин, вмятин, рисок, прижогов, а также неметаллические включения, микропоры, химические соединения и т.д.

Образование микротрещин при действии циклически изменяющихся контактных напряжений обусловлено накоплением повреждений. Для кристаллических тел вначале происходит накопление упругих искажений решетки и увеличение плотности дислокаций. После достижения некоторой критической плотности дислокаций образуются субмикроскопические трещины. Наряду с необратимыми искажениями кристаллической решетки разрушаются межатомные связи и отдельные микрообъемы материала.

Одной из основных причин усталостного изнашивания материалов на основе полимеров в отличие от металлов является трибокрекинг полимерных молекул, происходящий вследствие интенсивного механического и термического воздействий на пятнах фактического контакта. Подтверждением протекания трибокрекинга является снижение молекулярной массы полимера в поверхностном слое и аморфизация структуры кристаллизующихся полимеров.

Усталостное изнашивание в основном происходит в хорошо смазываемых механизмах, сопряжения которых эксплуатируются в режиме кинематического качения, скольжения или качения с проскальзыванием. Наиболее подвержены усталостному изнашиванию зубчатые передачи, подшипники качения, кулачковые механизмы и т.д.

Увеличение сопротивления усталостному изнашиванию достигают повышением физико-механических характеристик приповерхностных и поверхностных слоев материала, а также созданием оптимальной микрогеометрии поверхностей трения.

10.3 Коррозионно-механическое изнашивание

Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим взаимодействием материалов со средой.

Поверхностные слои материала, активированные трением, увеличивают свою способность к адсорбции, диффузии и химическим реакциям. При этом если активность окружающей среды настолько велика, что оказывает определяющее влияние на процессы разрушения поверхностей трения, то имеет место коррозионно-механическое изнашивание. При этом разрушение поверхности тела происходит в результате механического изнашивания (абразивного, усталостного, адгезионного), активируемого химическим или электрохимическим взаимодействием материала со средой. Химическое взаимодействие происходит при контакте поверхности трения с сухими газами или с неэлектропроводными агрессивными жидкостями. Электрохимическое взаимодействие - при контакте металлов с электролитами, например, водными растворами кислот, щелочей, солей, расплавами солей. При этом наблюдаются два основных процесса: анодный (непосредственный переход атомов металла в раствор в виде ионов) и катодный (ассимиляция избыточных электронов атомами или ионами раствора). Образующиеся на контактирующих поверхностях пленки в зависимости от состава могут легко удаляться, и, тогда происходит схватывание, или выполняют функцию ингибиторов изнашивания, снижая интенсивность изнашивания.

Коррозионно-механическому изнашиванию в наибольшей мере подвержены уплотнительные кольца торцевых уплотнений реакторов, центрифуг, подшипники скольжения реакторов, насосов, распыливающие диски центробежных сушилок, мешалки реакторов, колеса и корпуса центробежных насосов, шнеки, втулки смесителей и грануляторов.

Интенсивность коррозионно-механического изнашивания зависит в первую очередь от состава окружающей среды и коррозионной стойкости в ней контактирующих материалов.

Для уменьшения величины коррозионно-механического изнашивания необходимо увеличивать коррозионную стойкость триботехнических материалов при одновременном увеличении антифрикционных характеристик.

Увеличение коррозионной стойкости материалов можно достичь введением в агрессивную среду ингибиторов и специальной обработкой поверхностей трения. Металлические материалы с целью повышения твердости и улучшения коррозионной стойкости подвергают термообработке. Для снижения склонности коррозионностойких сталей к схватыванию и заеданию применяют азотирование и хромирование. Хороший эффект повышения износостойкости дают покрытия, в т.ч. на основе силикатов.

Для изготовления узлов трения, эксплуатируемых в агрессивных средах, применяют детали из высоколегированных нержавеющих сталей марок: 14Х17Н2, 20ХВН4Г9,12Х18Н10, 08Х17Н15М3Т и др. в паре с мягкими антифрикционными материалами типа углеграфитов, композитов на основе фторопласта-4 и др.

Разновидностью коррозионно-механического изнашивания является окислительное изнашивание, при котором основной вклад в изнашивание вносит химическая реакция материала с кислородом или окисляющей средой. При окислительном изнашивании на соприкасающихся поверхностях образуются пленки оксидов, которые в процессе трения разрушаются. Продукты износа представляют собой частицы оксидов металлов. Этот вид изнашивания, в отличие от других видов коррозионно-механического изнашивания, протекает при отсутствии агрессивной среды в условиях трения без смазки или при недостатке ее. Изнашиваемые поверхности при этом имеют низкую шероховатость, что объясняется препятствием оксидов адгезионному схватыванию материалов на пятнах фактического контакта.

Интенсивность окислительного изнашивания увеличивается при повышении температуры в зоне контакта и в результате пластической деформации поверхностных слоев.

Окислительному изнашиванию преимущественно подвергаются калибры, детали шарнирно-болтовых соединений подвесных устройств машин, работающих без смазочного материала, металлические колеса фрикционных передач и чашки вариаторов, подшипники сухого трения, пластины и цилиндры центробежных воздуходувок и т.д..

Для уменьшения интенсивности окислительного изнашивания необходимо снижать температуру фрикционного разогрева деталей путем подбора оптимального состава смазочного материала. Хороший результат обеспечивает увеличение твердости поверхностей деталей трения.

Другой разновидностью коррозионно-механического изнашивания является водородное изнашивание, возникающее вследствие поглощения трущейся металлической поверхностью водорода. Последний образуется при деструкции смазочного материала сопряженных пластмассовых деталей и в результате трибохимических реакций.

Водородное изнашивание проявляется в переносе частиц металла на сопряженную поверхность. Например, установлено намазывание стальных бандажей на тормозную колодку, перенос частиц стали с поверхности коленчатого вала на мягкий баббитовый подшипник.

Основным средством борьбы с водородным изнашиванием в настоящее время является подбор смазок и контактирующих полимерных материалов.

10.4 Фреттинг

Изнашивание при фреттинге возникает в результате малых колебательных, возвратно-поступательных перемещениий с амплитудами от нескольких единиц до сотни микрометров.

Повреждения поверхностей трения в этом случае напоминают точечную коррозию и концентрируются на небольших участках.

Трибосопряжения, подверженные фреттингу в коррозионно-активной среде, изнашиваются наиболее интенсивно в результате фреттинг-коррозии.

Изнашивание в результате фреттинг-коррозии имеет двухстадийный характер.

· На первой стадии трение упрочняет микровыступы взаимодействующих поверхностей в местах их фактического контакта. Одновременно разрушаются оксидные пленки, и увеличивается межатомное взаимодействие ювенильных поверхностей. Вследствие разрушения узлов схватывания и усталостного повреждения неровностей образуются продукты изнашивания, и формируется коррозионно-активная среда.

· На второй стадии изнашивания преобладают коррозионно-усталостные разрушения, приводящие к увеличению интенсивности изнашивания.

На фреттинг-коррозию существенное влияние оказывают амплитуда относительного скольжения, величина контактного давления, частота колебаний, число циклов нагружений, состав внешней среды, температура. Интенсивность разрушения поверхностей также зависит от склонности к разупрочнению поверхностных слоев и их разрыхлению вследствие электрохимического, коррозионно-усталостного, знакопеременного, циклического деформирования.

На интенсивность изнашивания существенно влияет и коррозионная активность окружающей среды. Например, износ в воздушной среде и в среде кислорода выше, чем в вакууме, азоте и других газах. Разрушение открытых поверхностей идет более интенсивно в зимнее время. По мере снижения температуры скорость изнашивания увеличивается.

Изнашивание при фреттинг-коррозии, как правило, возникает в заклепочных, болтовых, шлицевых, шпоночных, штифтовых соединениях, при прессовых посадках деталей, в стальных канатах, шарнирах, соединениях муфт, рессорах, клапанах, регуляторах электрических контактов, несущих элементах вертолетов и самолетов, деталях газотурбинных двигателей.

Для уменьшения износа от фреттинг-коррозии используют смазочные материалы, в которых кислород имеет низкую растворимость, материалы с пониженным коэффициентом диффузии, с высокой противоокислительной стабильностью, с повышенными адгезионными, адсорбционными свойствами к контактирующим поверхностям. Интенсивность изнашивания уменьшают также нанесением неметаллических покрытий, использованием прокладок коррозионно-стойких материалов. Существенное значение имеет правильный выбор контактирующих материалов, имеющих повышенную сопротивляемость абразивному, усталостному, коррозионному разрушению.

Лекция №11 (4ч). Основные положения теории трения полимерных материалов. Металлополимерные системы. Основные закономерности трения и механизм изнашивания полимеров

11.1 Основные положения теории трения полимерных материалов

Полимеры -- это природные и синтетические соединения, молекулы которых, как следует из их названия (поли -- много, мера-- часть), состоят из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные или разветвленные цепи.

Группа атомов, с помощью которой можно описать строение полимера, называется составным звеном. Составное звено, которое многократно повторяется, называют повторяющимся составным звеном, а группы на концах цепи -- концевыми группами. Молекула полимера, состоящая из повторяющихся составных звеньев и концевых групп, называется макромолекулой.

Современные композиционные материалы на основе полимеров позволяют повысить эксплуатационный ресурс и надежность машин, обеспечив при этом значительные материальные выгоды и экономический эффект.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло- и углепластикам.

Полимерные материалы в чистом виде практически не применяются для изготовления деталей узлов трения. Это связано с их высоким коэффициентом поверхностного трения деталей из них, недостаточной термо- и теплостойкостью, низкой износостойкостью. Для повышения эксплуатационных характеристик полимерных материалов разрабатываются новые связующие с требуемыми характеристиками, многотоннажно выпускаемые материалы модифицируются функциональными добавками, трущиеся поверхности обрабатываются специальными методами.

Состав полимерного композита зависит от конкретных экономических, конструктивных, технологических и эксплуатационных требований. Например, для полимерных подшипников скольжения в автомобилях и сельскохозяйственных машинах на первый план выдвигаются экономические (стоимость, доступность сырья) и технологические (методы переработки в изделия, возможность регенерации технологического брака) аспекты. При использовании полимерных конструкций в единичных образцах техники, особенно эксплуатирующейся в экстремальных условиях, естественно, большее значение имеют эксплуатационные и конструктивные требования -- заданные физико-механические свойства, термо- и теплостойкость и т. п.

Исследование механизма трения и изнашивания полимеров показало, что наиболее существенное влияние на фрикционные характеристики оказывают природа контактирующих материалов, нагрузочно-скоростные и тепловые режимы трения, условия смазки, топография поверхностей трения. Работа узла трения во многом зависит от температуры и состава окружающей среды, наличия абразива, воздействия агрессивных и коррозионно-активных сред.

Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости материала в состав связующего компонента обычно вводят от 0,1 до 40% сухих смазок -- графита, сульфидов металлов, солей высших кислот, талька, слюды и др. Такие вещества обладают способностью образовывать на поверхностях трения легкоподвижные слои. В последние годы широкое распространение получил метод повышения фрикционных свойств полимерных материалов путем введения в их состав жидкофазных смазок и смазочных масел.

Важный момент в проектировании новых полимеров -- изучение влияния эффекта мономера и химической структуры полимера на такие свойства, как «адгезия» (слипание), «связывающее напряжение», водопроницаемость, диэлектрические и оптические характеристики. Чтобы гарантировать хорошую адгезию между компонентами, в дальнейшем необходима поверхностная обработка, а чтобы облегчить обработку полимера, могут использоваться лубриканты -- «смазочные материалы». Они представляют собой вещества, которые при добавлении в небольших количествах обеспечивают значительное уменьшение движения цепочек или сегментов полимера.

Приведем несколько примеров. Замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа -- с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость -- на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%.

По данным ведущих мировых машиностроителей практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических прессматериалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различные тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения о производстве зубчатых колес для тракторов из капрона. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, кроме того, такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция -- полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. Для них тоже отмечается резкое снижение механических потерь и увеличение срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания -- это изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения областей использования прочных сталей и сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, а такие, которые могут поспорить даже с алмазом.

Еще один пример добавок в полимеры. Динамичное развитие спорта, пиковые нагрузки у ворот или у сетки приводят к тому, что трава не успевает подрасти от одного состязания до другого. И никакие ухищрения садовников не могут с этим справиться. На помощь могут прийти синтетические материалы, например, полиамидная пленка. Пленку толщиной 25 мкм нарезают на полоски шириной 1,27 мм, вытягивают, извивают, а затем переплетают так, чтобы получить легкую объемную массу, имитирующую траву. Во избежание загорания в полимер добавляют огнезащитные средства. Коврики из синтетической травы наклеивают на подготовленное основание -- и травяной корт, футбольное поле или иная спортивная площадка готовы к использованию, а по мере износа отдельные участки игрового поля можно заменять новыми покрытиями.

11.2 Металлополимерные системы

Практически в любой технике можно встретить элементы, образующие пару трения металл-полимер: подшипники скольжения с полимерными втулками, уплотнительные манжеты и полимерные сальниковые уплотнения плунжеров, поршней, фрикционные передачи, тормозные устройства, искусственные суставы.

Рассмотрим, с точки зрения трибологии, металлополимерную систему как пару трения металл - полимер. Пара трения - система из двух элементов, соприкасающиеся поверхности которых перемещаются друг относительно друга.

Пара трения металл - полимер представляет собой своего рода металлополимерную систему, отличную по свойствам и происходящим в ней процессам от пар металл - металл, полимер - полимер.

Металлополимерная система -- это совокупность по меньшей мере двух предназначенных для совместной работы тел, соединенных атомно-молекулярными силами или механически, одно из которых состоит из макромолекул (полимер), а другое -- из атомов с обобществленными электронами (металл).

Металлополимерный материал -- это полуфабрикат, состоящий из полимеров и металлов, соединенных между собой неподвижно атомно-молекулярными силами или механически, и предназначенный для изготовления деталей, узлов и конструкций ('например, металлический листе полимерным покрытием).

Металлололимермая деталь -- это элементарная (неделимая) часть конструкции или узла, изготовленная из полимеров и металлов или металлополимерного материала (например, металло-полимерное зубчатое колесо).

Металлополимерный узел -- это элемент конструкции, состоящий из металлических и полимерных или металлополимерных деталей, который может быть также использован в различных конструкциях. (например, металлаполимерный узел трения, скольжения, металлаполимерные уплотнитель- ные узлы).

Полимеры обладают по сравнению с металлами более низким коэффициентом трения, меньше изнашиваются, малочувствительны к ударам и колебаниям. И в то же время обладают низкой, по сравнению с металлами, теплопроводностью и теплостойкостью.

Полимер в паре трения металл - полимер используют непосредственно как тело трения, либо в виде покрытия - плёнки на поверхности другого материала, в основном металла. Чистые полимеры не используются в парах трения, для улучшения свойств в них вводят наполнители, пластификаторы, модификаторы и т.д., используют композиционные полимерные материалы.

Трение полимерных композиционных материалов сопровождается химическими реакциями окисления, процессами трибодеструкции и структурирования (изменения структуры материала при трении), разрыва химических связей, синтеза новых фаз и другими процессами. Всё это приводит к образованию вторичных структур, облегчающих или затрудняющих процесс трения сопряженных поверхностей в узлах трения. Поверхностные слои как металлического контртела (элемент пары трения, работающий совместно с материалом трения, так и полимерного композиционного материала при трении находятся также в сложном напряженно-деформированном состоянии под действием сдвиговых напряжений и деформаций. Механохимическая деструкция макромолекул в поверхностных слоях приводит к разрыву химических связей, образованию свободных радикалов, а также может инициировать адсорбционное пластифицирование поверхностных слоев полимерной и сопряженной металлической детали (согласно эффекту Ребиндера под влиянием активной среды (в том числе смазочных материалов) при трении происходит пластифицирование поверхностного слоя металла).

При различных режимах трения возможен фрикционный перенос материалов, который заключается в переносе полимерного материала на металлическое контртело. В результате взаимодействия частиц полимера с активными участками поверхности контртела формируется так называемое «третье тело» - плёнка фрикционного переноса. Механизм образования плёнки переноса зависит от механизма разрушения полимерного материала, степени деструкции макромолекул, активности образующихся радикалов и их взаимодействия с металлом, подвижности молекулярных цепей.

Структура и свойства плёнки переноса имеют определяющее значение в механизме трения и изнашивания металлополимерных пар трения.

Исследования и опыт эксплуатации металлополимерных трибосопряжений показали, что удовлетворительная работа этих сопряжений возможна только при условии образования на металлическом контртеле устойчивой полимерной плёнки фрикционного переноса. Установлено, что образование плёнки фрикционного переноса происходят благодаря адгезионным связям, возникающим при контакте полимера с металлом. Процесс образования адгезионной связи можно разделить на две стадии.

· На первой стадии происходит перемещение молекул полимера к поверхности металла и их определённое ориентирование в межфазном слое, в результате которого обеспечивается тесный контакт между молекулами и функциональными группами полимера и металла.

· Вторая стадия процесса состоит в непосредственном взаимодействии полимера и металла.

Изучению механизма образования плёнок фрикционного переноса посвящено много работ, но они, как правило, носят частный характер, так как в них исследуются отдельные виды полимерных и композиционных материалов.

11.3 Основные закономерности трения и механизм изнашивания полимеров

Материалы на основе полимеров в большей степени, чем металлы, чувствительны к воздействию многочисленных факторов, обусловленных трением и влиянием внешней среды.

Широкие исследования изменений коэффициента трения и характера скольжения при трении пластмасс по стали и одноименных пластмасс без смазки и со смазкой полярными и неполярными маслами показывают, что смазывающая среда (граничная смазка), например неполярная жидкость (диффузионное масло), снижает общую силу трения вследствие уменьшения площади непосредственного контакта трущихся поверхностей. Однако в результате внедрения под воздействием нагрузки неровностей стальной поверхности в полимерный материал и соответствующей деформации его поверхностных слоев при скольжении на определенных участках смазка вытесняется. В этом случае, если пластмасса обладает высокой адгезией к стали, в момент образования адгезионных мостиков сила сцепления может достичь высоких значений, что приводит к скачкообразному изменению силы трения.

Если полимерный материал имеет малую адгезию к стали, то неполярная жидкость снижает общую величину силы трения в основном вследствие облегчения процесса пластического деформирования поверхностного слоя полимера микронеровностями стальной поверхности. При этом процесс трения протекает более стабильно. При смазке маслом с полярной присадкой, образующей на поверхности стали прочные ориентированные граничные слои, непосредственный контакт пластмассы и стали затрудняется, и трение происходит между граничным слоем масла на стали и поверхностью пластмассы. Возможные единичные разрывы граничного слоя с образованием адгезионных мостиков не оказывают существенного влияния на характер трения.

Для полимеров в связи с их специфическими свойствами влияние смазки на коэффициент трения менее эффективно, чем для металлов, и традиционное применение смазки часто не приводит к ожидаемым результатам.

Фрикционное взаимодействие сопровождается износом -- характерным поверхностным разрушением материалов или остаточным изменением формы поверхности тела, происходящих вследствие механического контактного воздействия.

Внешние проявления износа полимерных материалов в значительной степени схожи с поверхностными явлениями, происходящими при изнашивании металлов. Это послужило основанием для многих исследователей применить к полимерам известные из опыта изучения износостойкости металлов теории и классификации. Обычно изнашивание полимерных материалов происходит вследствие сильного адгезионного взаимодействия, усталости, макросдвига, абразивного, термического и термоокислительного воздействия, коррозии, кавитации и т. д.

Происходящие в процессе фрикционного взаимодействия механическое, физическое и химическое взаимодействия контактирующих поверхностей, разрушение и рекомбинация молекул и структурных образовании приводят к изменению свойств граничных слоев и их разрушению.

Рассмотрим основные виды изнашивания полимерных материалов. Адгезионное изнашивание. При определенных сочетаниях материалов и условиях эксплуатации наблюдается износ полимерных материалов, основу механизма которого составляет фрикционный перенос. В этом случае в локальных зонах фактического контакта происходит интенсивное молекулярное (адгезионное) взаимодействие, силы которого превосходят прочность связи между отдельными элементами надмолекулярных образований или полимерных молекул, находящихся в напряженно-деформированной зоне трения. В процессе ограниченного количества актов фрикционного взаимодействия происходит поверхностное разрушение материала, продукты которого образуют «третье тело» -- более или менее устойчивые участки пленки (отдельные фрагменты материалов, молекул и т. д.), которые в большинстве случаев в результате дальнейшего фрикционного воздействия диспергируются и уносятся из зоны трения. Процесс этот может многократно повторяться.

Фрикционный перенос оказывает благоприятное влияние па скорость изнашивания кристаллизующихся полимеров линейного строения, склонных к пластическому характеру деформирования. Жесткие аморфные полимеры плохо образуют слои переноса и в условиях трения без смазки интенсивно изнашиваются.

Усталостное изнашивание. В процессе многократного фрикционного деформирования происходит утомление материала в поверхностных слоях, в них образуются усталостные микротрещины, развитие которых приводит к микровыкрошиванию. материала. Процессы фрикционно-контактной усталости развиваются в зоне, соизмеримой с зоной взаимного внедрения микронеровностей взаимодействующих поверхностей. При качении с проскальзыванием (условия работы катков, роликов, зубьев звездочек цепных передач и зубчатых колес и т. д.) усталостный микроизнос может сопровождаться «питтингом» -- усталостным макровыкрошиванием отдельных участков поверхности материалов на основе полимеров.

Согласно молекулярно-механической теории трения твердых тел, минимальное усталостное изнашивание реализуется при упругом характере контакта; интенсивность усталостного изнашивания при пластическом деформировании микронеровностей на несколько порядков выше. Такое соотношение сохраняется и для материалов на основе полимеров.

Абразивное изнашивание. При определенном сочетании условий фрикционного нагружения и геометрии сопряженных поверхностей напряженно-деформированное состояние достигает предельных значений, превышающих прочностные характеристики в соответствующих локальных точках взаимодействующих материалов. Происходит фрикционное разрушение материалов вследствие однократных воздействий индентора. Самым характерным проявлением абразивного изнашивания является микрорезание.

Абразивное изнашивание полимеров сопровождается трибохимическими процессами, инициируемыми в основном деструкцией.

Эрозионное изнашивание. Этот вид поверхностного разрушения материалов происходит в процессе скоростного обтекания изделия жидкой и газовой, в том числе высокотемпературной, средой (явление абляции), обычно содержащей абразивные частицы в виде песка, продуктов сгорания и т. д.

Эрозионное изнашивание наблюдается при эксплуатации водяных насосов, подводных деталей судов, лопаток дымососов и т. д.

Вообще же, характер и интенсивность изнашивания материалов на основе полимеров определяются следующими основными факторами:

1. Природой материалов;

2. Поверхностными и объемными механическими, физическими и химическими свойствами фрикционно-взаимодействующих тел;

3. Параметрами нагружения (величина и закон изменения нагрузки, скорость перемещения, наличие вибраций);

4. Макро- и микрогеометрией (форма, волнистость и шероховатость) контактирующих поверхностей;

5. Фрикционной температурой и параметрами внешней среды (температура, атмосферное воздействие, наличие смазки и химически активных реагентов, облучение, вакуум и т. д.).

В области трения и износа материалов на основе полимеров накоплен большой опыт. Но, к сожалению, приходится еще раз констатировать, что отсутствие единых методов определяет сложность сопоставления и обобщения результатов научных работ и инженерных оценок материалов, что приводит к большим потерям времени и средств.

Полимерные материалы вследствие специфики строения проявляют в процессе фрикционного взаимодействия характерные особенности, которые нужно учитывать в методах и конструкциях трибометров, при выборе основных факторов и назначении режимов исследования, а также при создании единой международной трибометрической системы.

Лекция №12 (4ч). Методы повышения износостойкости

12.1 Сроки службы трущихся деталей машин

Срок службы машин определяется износом его деталей -- изменением размеров, формы, массы или состояния их поверхностей вследствие изнашивания, т. е. остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя при трении. Выход из строя деталей и рабочих органов машин при нормальных условиях эксплуатации является следствием физического износа разных видов: усталостных разрушений, ползучести материалов, механического износа, коррозии, эрозии, кавитации, старения материала и др. Наиболее распространенной причиной выхода деталей и механизмов машин из строя является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей в узлах трения.

Скорость изнашивания деталей оборудования зависит от многих причин: условий и режима их работы; материала, из которого они изготовлены; характера смазки трущихся поверхностей; удельного усилия и скорости скольжения; температуры в зоне сопряжения; состояния окружающей среды (запыленность и др.).

Величина износа характеризуется установленными единицами длины, объема, массы и др. Определяется износ по изменению зазоров между сопрягаемыми поверхностями деталей, появлению течи в уплотнениях, уменьшению точности обработки изделия и др. Износы бывают нормальными и аварийными. Нормальным, или естественным, называют износ, который возникает при правильной, но длительной эксплуатации машины, т. е. в результате использования заданного ресурса ее работы. Аварийным, или прогрессирующим, называют износ, наступающий в течение короткого времени и достигающий таких размеров, что дальнейшая эксплуатация машины становится невозможной. При определенных значениях изменений, возникающих в результате изнашивания, наступает предельный износ, вызывающий резкое ухудшение эксплуатационных качеств отдельных деталей, механизмов и машины в целом, что вызывает необходимость ее ремонта.

Особенно велик износ деталей и рабочих органов машин-орудий, которые эксплуатируются в абразивной и агрессивной средах, и деталей транспортных машин, работающих в условиях грязи и пыли. Например, ресурс дробящих плит составляет в среднем 4...6 месяцев, зубьев ковшей экскаваторов, скреперов и бульдозеров, шнеков - 6...8 месяцев. На дробилке массой 6 тонн при дроблении высокоабразивных пород расходуется в год 17 тонн дробящих плит. Продолжительность работы авиационного поршневого двигателя до ремонта составляет 600... 1000 часов. Отмечены факты крайне непродолжительного срока службы (менее 1000 часов) цилиндровых втулок мощных судовых дизелей. Наблюдаются случаи выхода из строя в результате кавитационного разрушения крупных насосов и гребных винтов менее чем через год работы. Дизели, установленные на мощных автосамосвалах, требуют капитального ремонта после 1500...2000 часов работы, т.е. через -6...8 месяцев. Бортовые шестерни тракторов работают до замены не более 2000...2500 ч., срок службы транспортных трансмиссий до ремонта составляет 2500...3500ч. За сезон работы тракторов на песчаных почвах приходится заменять два-три комплекта гусениц, что в среднем обходится в 50 % стоимости нового трактора. Лемех тракторного плуга в среднем обрабатывает до полного износа всего 15...20 га почвы, это вынуждает ежегодно изготовлять для сельского хозяйства свыше 20млн. лемехов, не говоря уже о том, что на тяжелых почвах режущая кромка лемеха требует ремонта через 4... 6 га работы плуга. Годовая потребность в запасных звеньях приводных цепей сельскохозяйственных машин составляет около 100 млн. штук.

Малую продолжительность работы имеют проволочные канаты грузоподъемных машин, в особенности машин на металлургических предприятиях. Средний срок службы канатов доменных подъемников 3-4 месяца, разливочных кранов мартеновских цехов 6-7 месяцев, при разливке 3-4 плавок в сутки.

12.2 Оценка износа

Различают следующие характеристики износа:

Предельный износ соответствует предельному состоянию изнашиваемого изделия или его составной части. Это -- износ, при котором изделие неработоспособно.

Допустимый износ -- значение износа, при котором изделие сохраняет свою работоспособность. Он меньше предельного.

Местный износ -- износ на отдельном участке поверхности трения.

Эпюра износа -- графическое изображение распределения значений местного износа по поверхности трения или по определенному ее сечению.

Скорость изнашивания -- отношение значения износа к интервалу времени, в течении которого он возник.

В зависимости от размерности значений износа различают линейную, массовую и объемную скорости изнашивания:

(12.1)

где h, M, V -- толщина изношенного слоя, изменение объема и массы истираемого элемента, t -- время изнашивания.

Различают мгновенную (в определенный момент времени) и среднюю (за определенный интервал времени) скорости изнашивания.

Износостойкость -- свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Износостойкость относят к определенным условиям трения и оценивают величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Основной тенденцией развития машиностроения всегда было стремление к увеличению производительности машин. Поэтому повышение износостойкости материалов, деталей и узлов машин является главной и всегда актуальной задачей триботехники.

Методы ее решения включают:

1) поиск наилучших конструкций пар трения,

2) выбор наиболее эффективных технологических процессов обработки поверхностей трения,

3) грамотную эксплуатацию и целесообразную систему ремонтов пар трения,

4) разработку и рациональное использование триботехнических материалов.

12.3 Надежность пар трения

Надежность -- комплексное свойство технического объекта (машины, прибора, пары трения), состоящее в его способности выполнять заданные функции, сохраняя свои основные характеристики (при определенных условиях эксплуатации) в установленных пределах. Показатели надежности -- вероятность безотказной работы, наработка на отказ, технический ресурс и др.

Отказ -- нарушение работоспособности пары трения вследствие недопустимого изменения параметров (износа, коэффициента трения, температуры и т.п.) под влиянием протекающих в паре физико-химических процессов (трения, коррозии и др.) и внешних механических, климатических или иных воздействий.

Наработка -- продолжительность работы пары трения за некоторый промежуток времени.

Наработка на отказ -- среднее значение наработки пары трения между отказами.

Ресурс технический -- наработка пары трения до достижения ею предельного состояния, оговоренного в технической документации.

Вероятность безотказной работы устройства, состоящего из одного элемента, определяется из выражения:

(12.2)

где t -- время работы устройства с момента включения, =1/t₀ - вероятность отказов, t₀-- наработка на отказ. Эта зависимость изображена графически на рис.12.1. При t=0 вероятность отказа равна нулю, следовательно, вероятность безотказной работы р=1.Чем больше время работы, тем больше вероятность отказа и меньше вероятность безотказной работы.

Рис 12.1 Зависимость вероятности безотказной работы простого устройства от времени

Повышать ресурс машин выгодно только до определенного предела. Если машина работает очень долго, то за это время появляются новые, более производительные машины. Эксплуатация старой машины становится экономически невыгодной, и она морально стареет. Чтобы избежать ненужных затрат, ресурс машины должен назначаться с учетом времени ее морального старения. В настоящее время оборудование морально стареет в среднем за период от 3 до 8 лет.

12.4 Конструктивные методы

Ряд мер по повышению износостойкости пар трения может быть предпринят на стадии проектировании машины. Основными из них являются следующие.

Выбор принципиальной схемы узлов трения делают, учитывая их влияние на износостойкость и надежность машины в целом. Ниже приведены некоторые рекомендации по конструированию пар трения, выработанные трибологами.

В зависимости от соотношения твердостей (H₁ и H₂) материалов и площадей (S₁ и S₂) поверхности трения сопряженных деталей 1 и 2 различают прямую и обратную пары трения:

-- в прямой паре Н₁ Н₂, S₁ S₂ ,т.е. по телу большей площади скользит более твердое тело;

-- в обратной паре Н₁ Н₂ ,S₁ S₂ , т.е. по телу большей площади скользит более мягкое тело.

С позиции трибологии обратная пара предпочтительнее прямой. При перегрузках пластическая деформация более мягкого элемента обратной пары не препятствует трению, а в прямой -- приводит к резанию или пластическому оттеснению материала на поверхности трения контртела.

Обеспечение благоприятных условий трения является важным критерием при выборе конструкции узла трения. Этого достигают путем:

-- полного смазывания поверхности трения, не допуская, чтобы на ней оставались участки, не покрытые смазочным материалом;

-- защиты смазочной системы от попадания абразивных частиц с помощью фильтров, уплотнений, герметичных емкостей и т.д.;

-- устройства теплоотвода из зоны трения естественным путем или принудительным охлаждением;

-- снижение по возможности давления на поверхности трения.

Компенсация износа элементов пары трения -- распространенный конструктивный прием, позволяющий повысить износостойкость машин. Например, регулировку зазора в паре трения типа “вал-отверстие” осуществляют автоматически или при очередном техническом обслуживании машины. В местах интенсивного изнашивания используют сменные элементы конструкции: резцы на фрезах, зубья на ковше экскаватора, вставки на токосъемнике троллейбуса и т.д. Если применение сменных элементов конструкции невозможно, в местах наибольшего изнашивания целесообразно увеличить размер деталей на величину линейного износа.

Выбор материалов пары трения -- важный этап проектирования. Он определяется конструкцией и назначением пары, технологией ее изготовления, условиями эксплуатации и др. Общие рекомендации по выбору материалов для пар трения перечислены ниже:

· Целесообразно сочетать твердый материал с мягким. Чтобы оптимальное соотношение твердостей сохранялось в течение технического ресурса пары, мягкий материал не должен упрочняться (рекристаллизоваться) при рабочей температуре пары трения. Его целесообразно наносить в виде покрытия на поверхность трения детали из конструкционного материала.

· Если применение мягкого материала невозможно по соображениям прочности, пару трения выполняют из твердых материалов. Это дает возможность уменьшить износ , но предъявляет повышенные требования к режимам приработки пары.

· Не рекомендуется сочетать в паре трения два мягких материала. В этом случае преобладает пластическая деформация микронеровностей, что обуславливает увеличение износа.

· С позиций трибологии нежелательно выполнять элементы пары трения из одинаковых материалов. При разрушении смазочной и оксидной пленок на поверхностях трения в контактакт вступают ювенильные поверхности одинаковой природы. Это приводит к образованию прочных адгезионных связей, увеличивая склонность элементов пары к схватыванию.

· В труднодоступных для смазывания конструкциях целесообразно применять самосмазывающиеся и пропитанные маслами пористые материалы. Они обеспечивают противозадирную стойкость пары.

Принцип податливости пары трения состоит в том, чтобы обеспечить следование поверхности трения за деформациями контртела и приспособление к неточностям его геометрической формы, возникшим при обработке или вследствие износа.

Замена внешнего трения внутренним целесообразна при небольших линейных или угловых перемещениях кинематических пар. В процессе работы пары взаимное смещение жестких элементов конструкции происходит за счет упругой деформации прикрепленного к ним эластичного элемента. Благодаря этому исключается наиболее опасное абразивное изнашивание деталей, отпадает необходимость в смазке, уменьшается шум при работе пары.

Замена трения скольжения трением качения целесообразна с позиций повышения надежности пар трения. Подшипники качения имеют следующие преимущества перед подшипниками скольжения:

а) меньшие потери на трение, т.к. при одинаковых скоростях и нагрузках коэффициент трения качения значительно ниже, чем скольжения, мало изменяется в широком диапазоне режимов трения и при пуске-остановке пары;

б) экономится большое количество цветных металлов (Cu, Sn, Pb), расходуемых на изготовление подшипников скольжения;

в) уменьшается расход смазочных материалов;

г) снижаются эксплуатационные расходы;

д) шарико- и роликоподшипники стандартизованы, что упрощает конструкцию, монтаж и эксплуатацию подшипникового узла.

Недостатки подшипников качения:

а) малая надежность при ударах и вибрациях;

б) частые отказы при высоких скоростях вследствие разрыва масляной пленки и разрушения поверхностей трения;

в) большие диаметры подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения;

г) шум в работе;

д) неразборность конструкции.

12.5 Технологические методы

Технологические методы повышения износостойкости направлены на создание поверхностей трения, структура и свойства которых обеспечивают минимальный износ и невозможность схватывания пар трения.

Выбор вида обработки и шероховатости поверхности трения делают, имея в виду следующее. Независимо от исходной шероховатости поверхности трения, к концу приработки устанавливается равновесная длительно сохраняющаяся шероховатость, характерная для данной пары трения. Если бы удалось сразу обработать поверхность трения до равновесной шероховатости, приработка была бы не нужна. Однако сделать это практически невозможно. Поэтому финишную операцию обработки назначают так, чтобы шероховатость поверхности трения была близка к равновесной. Если она отличается от равновесной, по крайней мере, на два класса, независимо от того, в какую сторону -- чище или грубее, износостойкость пары существенно снижается. Грубошероховатые поверхности трения контактируют на малых площадках, где локализуются высокие давления. Это увеличивает износ и вероятность схватывания. Гладкие поверхности, как правило, плохо адсорбируют смазку и склонны к заеданию.

На эксплуатационные свойства пар трения влияет направление следов обработки поверхностей трения. Для граничного трения установлены следующие закономерности. Наименьший износ имеет место для поверхностей с малой шероховатостью -- когда направления следов обработки и движения взаимно перпендикулярны, для грубошероховатых поверхностей -- когда эти направления совпадают. Наименьший коэффициент трения наблюдается, если следы обработки на поверхностях трения расположены под углом друг к другу, наибольший -- когда они параллельны и направлены перпендикулярно движению.

Влияние волнистости на работоспособность пары трения неоднозначно. Во-первых, для контакта волнистых поверхностей характерна концентрация напряжений на малых площадках. Поэтому несмазанные волнистые поверхности трения более склонны к схватыванию, чем плоские. Во-вторых, на волнистых поверхностях во впадинах между волнами лучше удерживаются смазочные материалы. Кроме того, волнистость ухудшает работоспособность узлов качения, увеличивая вибрацию. При скольжении смазанные волнистые поверхности трения работают лучше гладких.

Специальные технологии обработки поверхностей трения предусматривают пластическую деформацию деталей без снятия стружки. Это -- обработка дробью, накатывание роликом, алмазным инструментом и др. В результате происходит: 1) выглаживание микронеровностей, 2) пластическая деформация и упрочнение поверхностного слоя, 3) “залечивание” микротрещин и других поверхностных дефектов, инициирующих разрушение поверхности трения.

Покрытие - адгезионно связанный с поверхностью тела тонкий слой материала, отличающегося от материала тела. Нанесение покрытий на поверхности трения позволяет решить две группы задач: реализовать в паре трения положительный градиент механических свойств и повысить надежность пар при жестких режимах эксплуатации.

В триботехнике используют метод фрикционного меднения, латунирования и бронзирования стальных деталей. Он основан на явлении переноса меди при трении. Ранее упоминался ротапринтный метод смазывания, с помощью которого малое количество твердого смазочного материала подается в зону трения, образуя на поверхности трения пленку графита, фторопласта, МоS₂.

Химико-термическая обработка поверхностей трения металлических деталей состоит в тепловой обработке деталей в химически активных средах приповышенных температурах. Ее осуществляют с целью изменения химического состава и свойств поверхностного слоя. Основными видами химико-термической обработки являются оксидирование, фосфатирование, цементация, азотирование, процессы диффузионной металлизации.

Оксидирование - искусственное образование оксидной пленки на поверхности металлических деталей.

Фосфатирование --химический процесс образования на поверхности стальных, алюминиевых и цинковых изделий тонкого слоя фосфорнокислых солей.

С помощью цементации, цианирования, азотирования, диффузионной металлизации можно повысить прочность поверхностного слоя, увеличив износостойкость пар при работе в абразивных средах.

12.6 Эксплуатационные методы

Даже самая совершенная по конструкции пара трения быстро выйдет из строя, если ее неправильно эксплуатировать. При эксплуатации пар должны выполняться определенные правила, направленные на снижение износа. В совокупность эксплуатационных методов повышения износостойкости пар трения входят следующие.

Обкатка - испытания машин перед вводом их в эксплуатацию. Назначение обкатки - приработать в едином комплексе все пары трения, входящие в машину, создав в них оптимальную шероховатость. Смазывание пар трения дает наибольший эффект при выполнении следующих рекомендаций:

· Смазочный материал стареет при работе узла трения, т.е. его эксплуатационные свойства изменяются в результате трибохимических процессов, прежде всего, окисления, термодеструкции, засорения продуктами износа. Поэтому целесообразно контролировать состояние масла в смазочной системе и заменять его свежим.

· Важнейшим требованием к этой операции является чистота масел. При транспортировании, хранении и заправке должны быть приняты меры против загрязнения масла. Перед заменой смазочную систему промывают специальным промывочным маслом. При замене используют только масла, указанные в инструкции по эксплуатации пары трения. Сроки замены зависят от условий работы пары и назначаются, исходя из опыта эксплуатации.

Запуск машины является ответственным моментом ее эксплуатации. При страгивании и в начальный период работы пар трения преобладает граничный режим трения или трение без смазки. Поэтому при пуске машины нагрузку увеличивают постепенно и плавно. Повышенный износ ходовой части транспортных машин происходит при торможении и остановке.

Ремонт, т.е. исправление повреждений, починку пары трения производят при достижении предельного износа. Ему соответствуют: резкое возрастание интенсивности изнашивания, предельно допустимое снижение прочности изнашиваемой детали, недопустимое влияние износа на работоспособность других деталей. Сроки службы пар трения служат основанием для планирования ремонта. Такие данные имеются для многих машин массового производства.

Рекомендуемая литература

1. Богданович, П.Н., Трение, смазка и износ в машинах: учебник / П.Н.Богданович, В.Я.Прушак, С.П.Богданович. - Минск : Тэхналогiя, 2011. -527 с.:ил.

2. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) /А.В.Чичинадзе, Э.М.Берлинер и др.; Под.общ.ред. А.В.Чичинадзе. - М.:Машиностроение, 2003. - 576с.

3. Основы трибологии: Учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей университетов /Л. с. пинчук, В. А. Струк, В.И. Кравченко, Г.А. Костюкович. - Гродно: ГрГУ, 2005.

4. Белый В.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И., Савкин В.Г. Трение и износ материалов на основе полимеров. -- Мн.: Наука и техника, 1976.-- 432с.

Размещено на Allbest.ru

...