Триботехника и основы надежности машин

Триботехника к настоящему времени накопила большой опыт, позволяющий сформулировать общие принципы и методику подбора материалов для пар трения. На рисунке 13 представлена схема выбора материала для трущихся деталей.

Рассмотрим подробнее отдельные этапы этой методики.

Анализ условий эксплуатации:

Условия нагружения и характеристика окружающей среды:

нагрузка и место ее приложения;

частота вращения (скорость скольжения);

режим нагружения (статический, динамический и т. д.);

ускорение;

атмосферные условия (влажность и т. д.);

температура;

вид рабочей среды и ее концентрация;

электрические воздействия;

возможность попадания инородных частиц (абразив и т.д.).

Рисунок 13 - Схема выбора материала для трущихся

Геометрические и конструктивные требования:

габариты узла;

требуемая точность;

особые требования к конструкции узла (взаимодействие с другими узлами и т.д.).

Эксплуатационные требования:

показатели надежности;

срок службы;

необходимость и возможность контроля за работой узла;

энергоемкость;

коэффициент трения;

шум;

демпфирование;

токсичность;

ионизирующие излучения;

газовыделение;

условия хранения.

Экономические и технологические требования:

объем производства;

стоимость готового изделия;

затраты энергии на производство;

производительность оборудования;

масса изделия;

внешний вид и отделка;

другие сведения.

На основе анализа условий эксплуатации составляется техническое задание на проектирование узла трения (детали).

Предварительный выбор материалов

Вначале выбирают группу материалов (черные металлы, баббиты, бронзы, полимеры и т.д.), наиболее подходящую для изготовления деталей узла трения. Затем с учетом справочных данных производят предварительный отбор материала для каждой из деталей узла трения.

Расчетно-конструктивная оценка работоспособности узла трения

Прежде всего, определяют оптимальные габариты узла трения и его конструкцию. Важным элементом геометрического расчета является установление зазоров в сопряжениях. Следует помнить, что повышенные требования к точности связаны с опасностью заклинивания при нагреве. Далее определяют нагрузочную способность детали (рассчитывают на прочность и деформацию), а затем оценивают фрикционные характеристики сопряжения (рассчитывают коэффициенты трения, определяют тепловую напряженность). И в последнюю очередь производят проверку узла трения на долговечность (рассчитывают интенсивность изнашивания). По результатам расчетов ведется конструктивная корректировка и доработка узла трения.

Окончательный выбор материала

Отобранные в результате предварительных оценок и расчетов материалы деталей пары трения необходимо экспериментально исследовать. Вначале проводят лабораторную оценку материалов на образцах, основывающуюся на применении по возможности стандартизированных методик и оборудования, выборе схем взаимодействия образцов и режимов трения, близких к эксплуатационным, в соответствии с методами моделирования. Следующий этап - испытание натурных образцов в условиях, наиболее близко имитирующих эксплуатационные. На основании испытаний натурных образцов решается вопрос о проведении опытно- промышленной проверки.

Опытно-промышленная проверка служит основным критерием окончательного выбора материала для деталей узла трения.

22. КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛИ

23.2 ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ

Технологические особенности поверхностного пластического деформирования различными методами приведены в таблице 2.

Таблица 2

23.3 ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Из возможных видов химико-термической обработки поверхности наиболее распространены следующие:

Цементация - насыщение углерода поверхностного слоя малоуглеродистых (до 0,3%С) сталей. Поверхность твердая, сердцевина мягкая, tслоя = 0,2 .0,3м, скорость 0,08.0,1 мм/час. При этом всегда применяется закалка, газы с содержанием СО2, С. Жидкость SiC, NaCN = 9000С.

Азотирование - насыщение азотом стали и титана. Температура процесса Та - 520-5600, используются нитриды азота, скорость насыщения 0,01 мм/час, для завершения процесса надо 60.70 часов, образуется слой толщиной 0,6.0,7 мм. Твердость HRС = 56 .58, износостойкость увеличивается в 8.20 раз.

Цианирование - одновременно используются азот и углерод (530.6500С - низкотемпературное, 800.9300С - высокотемпературное).

В качестве термообработки применяется поверхностная закалка:

а) пламенная ПЗ - нагрев шлаком, газом и кислородом, керосин-кислород. Охлаждение - вода, эмульсия, воздух;

б) поверхностная закалка с контактным нагревом тока от понижающего трансформатора (сварочного). В контакте - тепло, охлаждение водой, эмульсией (25.600°С). Есть незакаленный слой 0,05.0,2 мм, удаляется шлифованием (рельсы, колеса, шейки валов и т.д.);

в) ТВЧ-закалка - индуктор с охлаждением. ТВЧ-ТПЧ;

г) закалка с нагревом в электролите (раствор кальцинированной соды подключают к «+», а деталь - к «-»): деталь быстро нагревается - стержни клапанов, штифты, торцы винтов.

К химическим видам обработки поверхности относятся:

Химическое никелирование - покрытие поверхности сплавом никеля и фосфора, выделение металлов из водных растворов из солей с помощью химических препаратов - восстановителей. Подвергают сталь, чугун, бронзы, алюминий и его сплавы. Температура ванны до 950С. При нагреве до 3000С образуется соединение Ni3P - защитное (д = 0,1 мм). Термостойкое (до 600 0С).

Оксидирование - образуется искусственная оксидная пленка Fe3O4, толщина до 3 мкм - предупреждает заедание. Ведется в ваннах щелочных и кислых при t раствора 138....165 0С.

Фосфатирование - образование пленки нерастворимых фосфатных солей (в ванне до 900С) либо в струе. Пленка имеет толщину 2.50 мкм, жаростойка до 6000С, хороша для приработки.

Сульфидирование - обогащение слоев стальных изделий серой. Ведут в жидкой, твердой или газообразной среде при tра от 1500С до 9500С, образуется FeS и FeS2. Глубина слоя до 0,04 мм. Ускоряется приработка, активизируется действие смазки, шероховатости доводятся до Rа= 0,32...0,04 мкм.

Обработка паром - при t = 800...600°С, давление 0,1 МПа с выдержкой 1-2 часа - инструмент из быстрорежущей стали. Образуется окисная пленка, увеличивается износостойкость, проявляется эффект приработки.

23.4 ПОКРЫТИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ

Электролитическое хромирование. Хром обладает высокой твердостью, прочностью, химической стойкостью. В ваннах с электролитом осаждается на поверхность деталей, твердость покрытия меняется (НВ 450.1000) за счет изменения плавкости тока и температуры электролита. Хром мало изнашивается сам, почти не изнашивает сопряженную с ним стальную или чугунную поверхность. Покрытие гладкое или пористое.

Электролитическое никелирование. Применяется для повышения износостойкости, восстановления размеров изношенных деталей (до 1,25 мм.). При трении без смазки износостойкость никелевого покрытия в 2.3 раза выше, чем у закаленной стали, на 10.20 % ниже, чем хромированной поверхности.

Железнение. Процесс электролитического осаждения железа из водных растворов его закисных солей. Железо осаждают на катоде (-), анодом (+) служат прутки малоуглеродистой стали. Пленка железа характеризуется высокой чистотой, коррозионная стойкость высокая. Покрытие можно цементировать или хромировать (если нужна твердость).

Серебрение. Для электропроводности и антикоррозии. Слабо сцепляется с основой.

Электролитическое родирование. Используется для покрытия рабочих поверхностей коллекторов электрических машин - продлевает срок их службы, необходима притирка щеток к покрытию.

23.5 НАПЛАВКА И МЕТАЛЛИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Наплавка применяется для ремонта, повышения твердости поверхностей, снижения расхода цветного металла. Наименьшая толщина наклонного слоя - 0,25 мм, наибольшая - не ограничена. Опасность - появление трещин. Во избежание образования трещин применяют предварительный нагрев и сохранение постоянной температуры в процессе наплавки: чем выше склонность к трещинооб- разности, тем выше температура подогрева. По окончании процесса необходимо плавное охлаждение (10.30°С в сек.). Наплавленный металл имеет структуру литого металла и упрочняется накатыванием.

Металлизация напылением заключается в расплавлении металла и распылении его струей сжатого газа (воздуха) на предварительно подготовленную поверхность детали. Расплавляют проволоку стали, меди, цинка, свинца, бронзы, латуни, алюминия, кадмия, порошковые материалы. Различают газовую, электрическую и плазменную металлизацию (способ плавления). Частицы при ударе деформируются и вклиниваются в неровности поверхности. Пористость покрытия до 10% , слой имеет усадку при толщине слоя более 1,5 мм. Возможно отслаивание слоя; подогрев детали до 1500С снижает вероятность отслаивания. Повышение сцепления - металлизация в защитной среде, металлизация одновременно двумя и более металлами - псевдосплавами (например, свинцово-алюминиевым сплавом в соотношении 1:1) - хорошо прирабатывается.

триботехника машина трение изнашивание

24. ФИНИШНАЯ АНТИФРИКЦИОННАЯ БЕЗАБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА (ФАБО) ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ

25.2 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗВИТИЕ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ

Амплитуда относительного скольжения. Для начала процесса фреттинг-коррозии достаточна очень малая амплитуда относительного перемещения поверхностей (8-10"7 мм), при которой частицы продуктов износа начинают перекатываться между поверхностями трения. Это затрудняет схватывание поверхностей и снижает интенсивность изнашивания. С увеличением амплитуды интенсивность изнашивания возрастает. Например, для стали износ особенно возрастает при амплитуде 0,10.0,15 мм, когда начинают существенно проявляться процессы схватывания (рис. 16).

Рисунок 16 - Зависимость объемного износа Uv от амплитуды скольжения at низкоуглеродной стали по дюралюминию при нагрузке F = 190 Н и числе циклов Nц = 106

Удельная нагрузка. Оценить влияние нагрузки на развитие фреттинг-коррозии довольно сложно, поскольку в процессе работы сопряжения фактическое давление не остается постоянным, что связано с изменением исходного микрорельефа поверхностей и образованием прослойки из продуктов износа. Зависимость интенсивности изнашивания при фреттинг-коррозии от удельной нагрузки изображена на рис.17.

Рисунок 17 - Характер зависимости интенсивности изнашивания от удельного давления при фреттинг-коррозии: 1 - высокая жесткость контакта; 2 - малая жесткость контакта

Обычно интенсивность изнашивания растет с увеличением удельного давления (кривая 1). Зависимость иного типа (кривая 2) наблюдается при недостаточной жесткости контакта, когда с увеличением нагрузки уменьшается амплитуда относительного перемещения. Кроме того, с повышением нагрузки происходит перераспределение роли основных процессов, типичных для фреттинг-коррозии. При нагрузках, соответствующих восходящей ветви кривой 2, на поверхностях контакта протекают наиболее типичные для фреттинг-коррозии усталостно- коррозионные процессы, чему способствует относительно легкое поступление кислорода в зону трения. Уменьшение износа при нагрузках выше критических (нисходящая ветвь кривой 2) может быть вызвано снижением интенсивности усталостно-коррозионных процессов и интенсификацией процессов схватывания и взаимного переноса металла. Несмотря на то, что при этом общий износ уменьшается, глубина локальных повреждений увеличивается.

Частота колебаний. Обычно с повышением частоты колебаний интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии убывает до определенного значения, а затем намечается тенденция к ее стабилизации (рис.18). Объясняется это снижением усталостной долговечности металлов с уменьшением частоты нагружения.

Рисунок 18 - Влияние частоты колебаний на износ стали 15

Число циклов нагружения. С увеличением числа циклов нагружения (продолжительности испытания) износ при фреттинг-коррозии возрастает по следующему закону. Вначале (период приработки) скорость изнашивания велика, а затем она уменьшается (становится близкой к постоянной, износ изменяется линейно). Если при фреттинг-коррозии продукты износа очень твердые (например, для алюминия и его сплавов), то износ с самого начала возрастает линейно, что свидетельствует о чисто абразивном изнашивании (микрорезании).

Внешняя среда. Интенсивность фреттинг-коррозии зависит от коррозионной активности внешней среды. В кислородной среде все металлы повреждаются фреттинг-коррозией интенсивнее, чем на воздухе. Износ же на воздухе больше, чем в вакууме, азоте, водороде. В жидких средах (воде, растворе КаОН и др.) износ в несколько раз меньше, чем на воздухе. Это объясняется следующими причинами: образование защитных окисных пленок на поверхностях трения в жидкой среде происходит с большей скоростью; в жидкости продукты износа имеют меньшую твердость, а также частично вымываются из зоны контакта, что снижает интенсивность абразивного изнашивания. С увеличением влажности воздуха интенсивность фреттинг-коррозии по тем же причинам снижается.

Смазка. Для уменьшения фреттинг-коррозии применяют жидкие, консистентные и твердые смазочные материалы.

Температура поверхностей трения. При фреттинг-коррозии в результате вибрационного контактного взаимодействия в точках фактического контакта возникают высокие мгновенные температуры (до 700...800°С), могут повыситься и средние значения температур на поверхностях трения. Эти тепловые явления существенно меняют структуру поверхностного слоя и активизируют процессы схватывания. Установлено, что износ сталей при фреттинг-коррозии с увеличением температуры окружающей среды от +50°С до +150°С практически не меняется, а с ее уменьшением (до минус 1400С) - возрастает.

25.3 ФРЕТТИНГОСТОЙКОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

Приведем некоторые фреттингостойкие сочетания материалов пар трения:

чугун по чугуну со смазкой дисульфидом молибдена;

чугун по нержавеющей стали со смазкой дисульфидом молибдена;

закаленная инструментальная сталь по инструментальной стали;

опескоструенная сталь со свинцовым покрытием по стали;

сталь по стали с нейлоновой прокладкой толщиной 1,6 мм;

свинец по стали;

сталь с фосфатным покрытием по стали;

серебряное покрытие по стали;

серебряное покрытие по алюминию.

Очень низкой фреттингостойкостыо обладает алюминий и его сплавы в паре трения практически с любым материалом - никелем, хромом, магнием, цинком.

Защита от фреттинг-коррозии, конструктивно-технологические методы защиты от фреттинг-коррозии:

увеличение натяга в случае прессовых посадок;

создание дополнительных демпфирующих устройств для гашения вибрации в соединениях;

улучшение системы подвода смазки;

снижение концентрации напряжений;

повышение точности изготовления, уменьшение искажений геометрической формы поверхностей;

применение сферических посадочных поверхностей вместо цилиндрических;

замена подшипников скольжения подшипниками качения;

плотная пригонка шпонок;

упрочнение контактирующих поверхностей (химическая и химико- термическая обработка, пластическое деформирование).

Методы защиты от процессов изнашивания:

применение материалов и их сочетаний, устойчивых к фреттинг-коррозии;

применение жидких, пластичных и твердых смазочных материалов;

механическое, термическое и химико-термическое упрочнение поверхностей;

гальваническое покрытие поверхностей;

нанесение на поверхности полимерных пленок и покрытий;

введение анодных ингибиторов в коррозионную среду для снижения ее активности.

26. СМАЗЫВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

26.1 ВИДЫ СМАЗКИ

Применение смазочных материалов для уменьшения силы трения известно с глубокой древности. На смену применяемым веками органическим, главным образом растительным, маслам в конце XIX века пришли минеральные (нефтяные) масла.

По мере развития науки и техники нефтяные масла совершенствовались; затем появились синтетические смазочные материалы, твердые и, наконец, самосмазывающиеся материалы.

В настоящее время в зависимости от физического состояния смазочного материала различают газовую, жидкостную и твердую смазку (рис.19).

Рисунок 19 - Виды смазки и смазочных материалов

По типу разделения поверхностей трения смазочным слоем различают следующие виды смазки:

Гидродинамическая (газодинамическая) смазка - жидкостная (газовая) смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего 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.

Граничная смазка - смазка, при которой трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных.

Полужидкостная смазка - смазка, при которой частично осуществляется жидкостная смазка.

26.2 МЕХАНИЗМ СМАЗОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ГРАНИЧНОЙ СМАЗКЕ

26.3 ПРИСАДКИ К СМАЗОЧНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Присадкой называют вещество, добавляемое к смазочному материалу для придания ему новых свойств или изменения существующих. Применяют в основном три вида присадок: антифрикционные, противоизносные и противозадирные (рис.20).

Рисунок 20 - Виды присадок к смазочным материалам

26.4 ЖИДКИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Жидкие смазочные материалы, широко используемые в современных машинах, условно делятся на три группы: моторные, автотракторные трансмиссионные масла и масла для промышленного оборудования (индустриальные).

Моторные смазочные масла применяются для смазки поршневых двигателей внутреннего сгорания. Эти смазочные материалы состоят из основы базового масла, а также присадок, улучшающих природные свойства базового масла или придающих ему необходимые новые свойства. Эксплуатационные свойства моторного масла определяются в основном составом и вязкостью базового масла, а также типом и концентрацией добавленных к нему присадок.

Автотракторные трансмиссионные масла предназначены для смазывания механических и гидромеханических передач подвижных наземных машин.

Типичный вид повреждения рабочих поверхностей зубьев шестерен и подшипников трансмиссий - усталостное выкрашивание, при наличии высоких контактных температур, и заедание. Эффективные меры борьбы против заедания - добавление противозадирных присадок к маслам.

Назначение масел для промышленного оборудования (индустриальных масел) - способствовать снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания в трущихся узлах станков, прессов, прокатных станов и другого промышленного оборудования. Одновременно индустриальные масла должны отводить тепло от узлов трения, защищать детали от коррозии, очищать трущиеся поверхности от загрязнения, не допускать образования пены при контакте с воздухом и т.д.

Индустриальные масла по вязкости условно делят на три подгруппы:

маловязкие (легкие) вязкостью от 6 сСт при 20°С до 10 сСт при 50°С;

средневязкие (средние) вязкостью от 10 до 58 сСт при 50°С;

вязкие (тяжелые) вязкостью от 58 сСт при 50°С до 95 сСт при 100°С.

26.5 ПЛАСТИЧНЫЕ (КОНСИСТЕНТНЫЕ) СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Эти смазочные материалы представляют собой полутвердый или твердый продукт, состоящий из смеси минерального и синтетического масла, загустителя (твердые углеводороды, различные соли жирных кислот и др.), присадок и наполнителей (графит, дисульфид молибдена и др.).

Основные достоинства пластичных смазочных материалов:

способность удерживаться в негерметичных узлах трения;

работоспособность в широких температурных и скоростных диапазонах;

хорошая смазывающая способность;

работоспособность в контакте с водой и другими агрессивными средами;

большая экономичность применения.

Недостатки пластичных смазочных материалов;

плохая охлаждающая способность;

склонность к окислению;

сложность подачи к узлу трения.

26.6 ТВЕРДЫЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ