2.5. Расчёты элементов машин на износостойкость

Критерий износостойкости характеризует сопротивление деталей износу. Износом называют процесс постепенного изменения формы и размеров поверхностей контактирующих тел за счёт удаления с них отдельных частиц материалов при их относительном перемещении или деформировании этих поверхностей.

В результате изнашивания происходит изменение качества поверхностей трения, что может приводить к увеличению сил трения и потерь на трение; появлению вибраций; снижению точности базирования деталей фрикционной пары и уменьшению толщины защитных покрытий; во вращательных парах увеличиваются зазоры и возрастают динамические нагрузки. Подобные изменения, как правило, не исключают возможность функционирования пар трения, но считать их работоспособными не следует, так как снижаются параметры качества их работы (параметрические отказы). Отказы параметрические в большинстве случаев в дальнейшем стимулируют отказы функциональные.

Существует достаточно большое разнообразие видов изнашивания. Их многообразие, возможность комбинирования, сложность явлений, происходящих при износе, не привело к созданию общепринятой классификации видов изнашивания. Остановимся на наиболее распространённых общепринятых видах [1-3]:

1.Механическое изнашивание (абразивное, усталостное, деформационное);

2. Молекулярно - механическое (адгезионное);

3. Коррозионно-механическое (окислительное, водородное и т.п.)

Коррозионно-механическое изнашивание в связи с ограниченностью времени в дальнейшем не рассматривается.

2.5.1. Механическое изнашивание. Методы расчета

Абразивное изнашивание. Абразивное изнашивание представляет собой процесс микрорезания, микроцарапания поверхностей трения за счёт попадания в зону трения частиц более высокой твёрдости, чем изнашиваемые поверхности (частицы минерального происхождения, продукты износа и т.п.). Подобные процессы могут вызываться также микронеровностями более твёрдой поверхности фрикционной пары. Наиболее важными факторами, влияющими на интенсивность абразивного изнашивания, являются удельные давления на поверхности трения, свойства материалов к сопротивлению изнашивания, размер зёрен и высота микронеровностей, соотношение твёрдостей сопрягаемых поверхностей. Абразивное изнашивание имеет место в таких парах трения, как подшипники, детали фрикционных муфт, тормозов, направляющих и т.п.

Простейшие формы расчёта на обеспечение приемлемой интенсивности абразивного износа пар трения основаны на ограничении величины рабочих удельных давлений q на поверхности трения:

, (1.26) где - допускаемое удельное давление которое зависит от материалов пары трения, твердости их поверхностей, наличия смазки и т. п. Их значения определяются для различных пар трения опытным путём.

Наиболее действенные меры снижения интенсивности абразивного изнашивания – обеспечение жидкостного трения в паре трения, которое характеризуется наличием разделительной масляной плёнки между контактирующими поверхностями, толщиной превосходящей высоту микронеровностей контактирующих поверхностей и размеры изнашивающих зёрен. В этих случаях проводят расчёт пары трения по условию обеспечения жидкостного трения на основе гидродинамической теории смазки. В условиях сухого и граничного трения наибольший эффект в снижении абразивного износа имеет повышение твёрдости рабочих поверхностей, а также конструктивные приёмы защиты поверхности от попадания абразивных частиц в узлы трения.

Усталостное изнашивание. Усталостное изнашивание вызывается действиями циклических контактных напряжений. Циклические контактные напряжения возникают во фрикционных катках, зубьях зубчатых колёсах, подшипниках качения и т.п. Циклический характер изменения очевиден в связи с периодическим попаданием определённой точки поверхности в зону сжатия (рис.1.6). Из приведенных рассуждений и рисунка можно определить суммарное число циклов напряжений (нагружений) , которое получает любая из точек поверхности катков за все время эксплуатации механизма часов при частотах вращения

(1.27)

где – время цикла (период) изменения напряжений . В данное выражение введён параметр – количество контактов, которое получают катки за один оборот. Очевидно, что для катков однопоточной пары (рис. 1.6а) а для катков трёхпоточной (рис 1.6б) – Различен и период циклирования контактных напряжений в катках 1 и 2: на рис.1.6а равно времени поворота его на угол , а на рисунке 1.6 б – на угол .

Рис.1.5 Циклирование контактных напряжений во фрикционных механизмах: а – однопоточном; б – трехпоточном; в – диаграммы контактных напряжений на катках

Механизм усталостного изнашивания заключается в следующем. При определённом уровне контактных напряжений на поверхности контакта возникает сетка микротрещин с размерами по длине и глубине в несколько микрон, которые не видны невооружённым взглядом. Длительное повторное циклирование приводит к постепенному, характерному для усталости, их развитию, взаимному соединению и образованию макротрещин. При этом отдельные частицы на поверхности полностью отделяются от основного объёма материала трещинами и отслаиваются от него. На поверхности детали образуются ямки, углубления размерами до нескольких миллиметров как это иллюстрируется на рис.1.7а на примере поражения зуба. Описанное разрушение рабочих поверхностей называют усталостным контактным выкрашиванием, а также питтингом. Появление усталостного выкрашивания и снижение качества поверхностей контакта приводит к увеличению вибрационно-акустических параметров пары, уменьшению площади фактического контакта, увеличению концентрации напряжений, величины рабочих контактных напряжений и, в конечном итоге, к параметрическим отказам. Основными факторами, определяющими интенсивность усталостного изнашивания, являются величина рабочих контактных напряжений, механические свойства и качество поверхностей контакта, наличие и качество смазки, рабочая температура в зоне контакта и т.п.

Рис. 1.7. Усталостное контактное выкрашивание: а – характерный вид пораженной поверхности; б – влияние смазки на интенсивность усталостного выкрашивания

Отдельно обратимся к влиянию смазки на интенсивность усталостного изнашивания. Наличие смазки в парах трения является важным фактором, обеспечивающим снижение трения, уменьшения тепловыделений, отвод тепла и продуктов износа из зоны контакта, защиту от повышенных износов и т.п. Вместе с тем в отдельных случаях наличие смазки в отдельных случаях приводит к негативным сопутствующим явлениям. Так смазка в зоне контакта обусловливает более интенсивное развитие усталостного выкрашивания на отстающих поверхностях пары трения. Например, для фрикционной передачи, фрагмент которой показан на рис 1.7б. Поверхность ведущего катка 1 является опережающей , а ведомого катка 2 – отстающей. Характерное направление сил трения на контактирующих поверхностях приводит к различной ориентации трещин на них, как это показано на рисунке. Движение поверхностей пары в направлениях и приводит к тому, что масло из трещин на опережающем катке выдавливается, так как сначала в зону давления попадает хвост трещины, а на отстающем – в зоне сжатия оказывается устье трещины. Сопряженный каток закрывает масло в замкнутом объеме и подвергает сжатию. Давление масла в закрытом объёме способствует более интенсивному развитию трещины и соединению её с соседними.

В основе инженерного метода расчёта, принятого в международном масштабе, лежит условие:

(1.28)

Величина допускаемых контактных напряжений , учитывающая механические свойства материалов контактирующих тел, определяется экспериментально и позволяет принять во внимание все выше перечисленные факторы, которые определяют интенсивность усталостного изнашивания. Из факторов повышения сопротивления усталостному выкрашиванию наиболее действенными являются – увеличение твёрдости контактирующих поверхностей всеми известными средствами, а также улучшение чистоты их обработки.

Деформационное изнашивание. Изнашивание деформационное связано с наличием пластических деформаций, происходящих при превышении контактных напряжений > или хрупкого разрушения тонких высокотвёрдых слоёв рабочих поверхностей. Математическая модель расчёта на предотвращение отмеченного разрушения представляется в виде:

(1.29)

где - напряжение, возникающее при кратковременных перегрузках.

Деформационное изнашивание может проходить мгновенно в ситуациях, вызывающих значительные кратковременные превышения нагрузок по сравнению с действующими в стационарном режиме (в режиме установившегося движения).