Надежность и ремонт машин

Коррозионно-механическое изнашивание включает окислительное  изнашивание и изнашивание при  фретинг-коррозии. При первом из них  основное влияние на изнашивание  оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой, а второе — характеризуется коррозионно-механическим изнашиванием соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

Рис. 4.2. Характер изменения износа деталей в процессе работы. 

Для обеспечения  надежной работы машин при их эксплуатации необходимо установить, какие из рассмотренных  видов изнашивания в данных конкретных условиях наиболее нежелательны с точки  зрения снижения работоспособности  машин, и разработать эффек­тивные методы борьбы с ними. 

Исследования  показывают, что в связи с проблемой  повышения надежности все виды изнашивания  могут быть подразделены на две группы: допустимые виды, характеризуемые относительно малыми скоростями развития, и недопустимые, характеризуемые интенсивными процессами разрушения. 

Основной задачей  эксплуатации является создание таких  условий, при которых бы не происходило  перехода от нормальной работы к аварийной, от допустимого изнашивания к другим видам, вызывающим разрушение поверхностей деталей. С учетом этого можно сформулировать следующие основные направления совершенствования эксплуатации машин, направленные на уменьшение изнашивания, а следовательно, и на повышение надежности: 

повышение квалификации обслуживающего персонала; 

строгое соблюдение рекомендаций инструкции по эксплуатации; 

обеспечение нормальных режимов работы машины; соблюдение правил транспортировки и хранения машин; совершенствование организации и технологии технического обслуживания. 

Квалификацией обслуживающего персонала определяется качество подготовки машины к работе, ее технического обслуживания и ремонта. Строгое соблюдение рекомендаций, приведенных  в инструкциях по эксплуатации, связано со своевременным проведением работ по техническому обслуживанию и ремонту. 

Обеспечение нормальных режимов работы связано с работой  без перегрузок, что приводит к  уменьшению изнашивания сопряженных  деталей. Совершенствование организации  и технологии технического обслуживания предусматривает высокий уровень выполнения этих работ, включение в технологический процесс диагностирования, а также широкую механизацию проведения работ. 

В процессе работы машины между соприкасающимися поверхностями  подвижных деталей возникают силы трения, которые преобразуют часть энергии в тепло и вызывают износ этих деталей. В результате изнашивания уменьшается КПД и точность агрегатов, увеличивается  расход горюче-смазочных материалов. Повышенный износ деталей понижает безопасность использования оборудования, особенно транспортных средств. 

       При наличии смазочного материала  между трущимися поверхностями  коэффициент трения резко снижается,  значительно улучшаются и облегчаются  условия работы подвижных деталей  машин и механизмов. В сопрягаемых деталях, воспринимающих ударную нагрузку, смазочный  материал работает как гидравлический буфер или амортизатор. Наличие смазочной пленки на трущихся поверхностях защищает рабочие поверхности от интенсивных молекулярных процессов, возникающих при трении. Смазочная пленка устраняет непосредственный контакт между трущимися поверхностями, охлаждает их и уносит вредные продукты износа. Отсутствие смазочного материала между трущимися деталями, хотя бы на короткое время, приводит к значительному ухудшению процесса трения и к повышенным износам, а иногда и к серьезным поломкам. При любых режимах работы машины и различных внешних условиях смазочный материал должен своевременно и в достаточном количестве поступать к рабочим поверхностям. Для повышения износостойкости деталей машин большое значение имеет качество смазочного материала. 

Поскольку поверхности  деталей имеют шероховатость  и волнистость, обусловленные технологической  обработкой, а также трением и  изнашиванием, то контакт сопрягаемых деталей является дискретным и площадь касания составляет незначительную часть от номинальной площади [10]. По данным исследований [34], все реальные детали имеют контакт поверхностей на площади, которая составляет всего 5—10% и лишь иногда доходит до 25% номинальной. 

Вопросам износостойкости  уделяется значительное внимание; опубликован  ряд капитальных работ, в которых  систематизирован опыт по вопросам теории трения и изнашивания. Накопленный  экспериментальный и теоретический  материал позволяет управлять процессами фрикционного взаимодействия деталей применительно к конкретным условиям их работы, предсказать величину износа, а также повысить их износостойкость. 

Трение твердых  тел развивается в микрообъемах зон касания. Свойства материалов в  процессе трения изменяются. Трение имеет молекулярно-механическую природу. Оно обусловлено преодолением адгезионной связи между двумя поверхностями (обычно — между пленками, которыми покрыты твердые тела) и объемным деформированием материала в тонком поверхностном слое. 

При механическом взаимодействии в зависимости от глубины внедрения элементов  поверхностей и соотношения их механических свойств при тангенциальном смещении наблюдается различный характер нарушения пятен касания, которые  называют фрикционными связями. Вид нарушения фрикционных связей зависит от относительного внедрения , где  — глубина внедрения;  — радиус внедрившейся неровности. 

В основе молекулярно-механической теории трения лежит представление  о дискретности контакта твердых  тел, обусловленной шероховатостью и волнистостью их поверхностей. Трение осуществляется на отдельных пятнах контакта с поперечником 0,1 — 30 мкм, которые возникают в результате деформаций неровностей. Пятна контакта распределены на гребнях волн, а деформации неровностей могут быть упругими и пластическими (рис. 1). 

При рассмотрении контакта деталей различают номинальную  площадь контакта, соответствующую  номинальным сопрягаемым размерам деталей ; фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактических малых площадок соприкосновения (указаны точечной штриховкой); контурную площадь касания, представляющую собой сумму площадок, ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта. Контурные площадки легко обнаруживаются при проверке сопряжения деталей на краску — это пятна касания (на рисунке обведены штриховыми линиями). 

Рис. 1. Схема контактирования деталей Рис.2. Схема изнашивания поверхностей трения 

Контактирование поверхностей при восприятии нагрузки осуществляется вершинами волн, образуемых микрогеометрическими отклонениями. В контакт первыми вступают противостоящие друг другу выступы на сопряженных поверхностях. Деформация неровностей и их оснований вызывает сближение поверхностей. По мере повышения нагрузки это сближение увеличивается, и в контакт вступают новые пары выступов. Разновременность вхождения в контакт выступов, отличающихся по высоте, делает различными степени их нагружения и деформации. Выступы поверхностей после однократного нагружения наклёпываются и при повторных нагрузках (не выше первоначальной) деформируются упруго. Пластическая деформация выступов микронеровностей и их взаимное внедрение начинаются при среднем давлении в зоне контакта, соответствующем примерно утроенному пределу текучести материала. 

Площадь фактического контакта состоит из множества расположенных  на различных высотах пятен касания  в местах наиболее полного сближения  поверхностей. Между площадками касания  тел имеются соединенные между  собой либо закрытые микрополости, заполненные газовой средой, смазочным материалом и продуктами износа. Прирост фактической площади контакта происходит в основном за счет увеличения числа пятен контакта. В пятнах контакта образуются адгезионные связи между материалами сопряженных пар или их окисными пленками. 

При сдвиге одной  из контактирующих поверхностей относительно другой их выступы должны деформироваться, а усилие деформации будет примерно равно силе трения. Если одна из поверхностей тверже другой, то выступы более твердой поверхности будут в другой вырезать канавки. Изнашивание поверхностей при таком движении можно представить по следующей схеме (рис. 2): твердое зерно движущейся детали А вырабатывает на поверхности детали Б канавку г, при этом зерно собирает впереди себя стружку. Эта стружка в дальнейшем уплотняется настолько, что может оказаться прочнее зерна 1. Последнее вырывается из поверхности детали А и, упираясь в уплотненную стружку, начинает вырабатывать канавку уже в поверхности детали А. Таким образом изнашиваются обе детали. 

Адгезия двух твердых  тел обусловлена межмолекулярным  взаимодействием, сила которого резко  убывает с расстоянием. Для проявления адгезии необходима достаточная  площадь касания и незначительная упругость твердых тел. Если тела достаточно упруги, то образовавшаяся под нагрузкой площадь касания исчезает при снятии нагрузки, и адгезию обнаружить не удается. Поэтому адгезия твердых тел хорошо проявляется у пластичных материалов, подвергнутых достаточно значительной сжимающей нагрузке. 

Разработанная И. В. Крагельским молекулярно-механическая (адгезионно-деформационная) теория определяет коэффициент трения как сумму молекулярной и механической составляющих. Молекулярная составляющая определяется сдвиговым сопротивлением различных пленок, покрывающих поверхности твердых тел. Формула для определения коэффициента трения имеет следующий вид: (1.1)

где —параметры, характеризующие сдвиговое сопротивление молекулярной связи;

— коэффициент, характеризующий форму  неровностей и распределение  их по высоте; — коэффициент гистерезисных потерь; — гистерезисные потери при одноосном нагружении; — относительное внедрение единичной неровности. 

Молекулярно-механическая теория трения дает возможность представить  и механизм изнашивания. Если при  скольжении происходит срез адгезионных связей, то это возможно при таких обстоятельствах. 

1. Если адгезионная  связь менее прочна, чем основной  материал, то срез происходит  по поверхности касания. В этом  случае износ будет минимальным. 

2. Если адгезионная  связь прочнее одного из материалов, то срез происходит не по поверхности касания, а на некоторой глубине внутри более мягкого материала. В этом случае наблюдается значительное повышение износа. 

3. Если прочность  адгезионной связи выше прочности  обоих материалов, то срез происходит также в глубине, причем основная его часть — в более мягком материале. Вполне возможны отдельные вырывы частиц более твердого материала. 

4. При контактировании  одинаковых материалов в результате  деформации их поверхностные  слои получают некоторый наклеп и поэтому их сопротивление сразу несколько увеличивается. В этом случае срез чаще происходит в глубине соприкасающихся тел и сопровождается значительными повреждениями их поверхностей. По этой причине трение одноименных материалов приводит к значительному износу. 

Механизм изнашивания  при трении значительно усложняется  наличием на контактирующих поверхностях окисных и других пленок, образующихся, в частности, от воздействия окружающей среды. Окисные пленки уменьшают  величину адгезионного взаимодействия между поверхностями. Прочность этих пленок меньше прочности основного материала, поэтому разрушение адгезионных связей происходит не в глубине материала, а в поверхностных слоях. 

В работе определены три положения современной модели фрикционного контактного взаимодействия твердых тел. 

1. Трение обусловлено  как преодолением молекулярного  взаимодействия между сближенными  поверхностями (в пределе —  это «мостики сварки»), так и  упругим или пластическим деформированием  поверхностных слоев. 

2. Поскольку между двумя поверхностями всегда возникает «схватывание», то при внешнем трении процессы деформирования контактирующих неровностей должны протекать как можно ближе к поверхности твердого тела. В связи с этим обязательным условием внешнего трения является формирование на поверхности твердого тела менее прочной тонкой пленки. Измененный тонкий поверхностный слой трущихся деталей И. В. Крагельский назвал «третьим телом» 

3. Поверхности  трения должны иметь шероховатости,  которые выполняют роль микрорезервуаров для размещения смазочного материала, формирующего третье тело. 

Из формулы (1.1) видно, что для снижения трения необходимо, чтобы на поверхности детали была тонкая пленка промежуточного мягкого  материала; пленка должна быть малопрочной  и не подвергаться наклепу. В этом случае коэффициенты будут иметь минимальные значения. При наличии мягкой пленки и твердой подложки механическая составляющая коэффициента трения в формуле (1.1) также будет иметь минимальное значение. Это указывает на необходимость обеспечивать технологическими методами оптимальные значения параметров шероховатости поверхностей трения.