Метка: Износ

Изнашивание деталей сопровождается сложными физико-химическими явлениями. Скорость изнашивания зависит от материала и качества трущихся поверхностей, характера контакта и скорости их взаимного перемещения, вида и значения нагрузки, вида трения и смазки, качества смазочного материала и от многих других факторов. В соответствии с ГОСТ 27674-88 установлены следующие виды изнашивания в машинах.

Механическое изнашивание — это изнашивание в результате механических воздействий. Этот вид изнашивания подразделяется на абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), гидроэрозионное (газоэрозионное), кавитационное, усталостное, при заедании и при фреттинге.

Абразивное изнашивание — это процесс микропластических деформаций и резания металла твердыми абразивными частицами, находящимися между поверхностями трения, а также в результате непосредственного контактирования с абразивной средой (рабочие органы сельскохозяйственных, мелиоративных и строитель-ных машин, детали ходовой части гусеничных машин и др.).

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание — результат действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно поверхности детали. Этот вид изнашивания характерен для деталей водяных и масляных насосов, гидроусилителей, гидроприводов тормозных систем и др.

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание — это эрозионное изнашивание в результате действия (трения) потока жидкости (газа) о металл. Этому виду изнашивания подвергаются детали системы охлаждения, системы вентиляции и т. п.

Усталостное изнашивание — механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Под действием больших удельных повторно-переменных нагрузок, превышающих предел текучести металла, появляются микротрещины, которые развиваются и приводят к усталостному отслаиванию и выкрашиванию частиц металла. Усталостное изнашивание проявляется на поверхностях подшипников качения, зубьев шестерен и т. п.).

Кавитационное изнашивание — механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое удельное давление или температуру, под действием которых происходит разрушение поверхности. Этому виду изнашивания подвержены наружные поверхности гильз цилиндров, стенки рубашки охлаждения, лопасти водяных насосов и т. п.

Изнашивание при заедании — результат схватывания микронеровностей сопрягаемых поверхностей, глубинного вырывания материала и его переноса с одной поверхности на другую. Особенно подвержены этому изнашиванию тяжел она груже нн ые детали (шейки коленчатых и распределительных валов, поршни и т. п.).

Изнашивание при фреттинге возникает в соприкасающихся поверхностях при малых колебательных относительных перемещениях. Этому виду изнашивания подвержены кольца шарико- и роликоподшипников, поверхности деталей при ослаблении резьбовых соединений и т. п.

Изнашивание при действии электрического тока называют электроэрозионным. Оно происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока (электроды свечи, контакты прерывателя — распределителя, клеммы электроприборов и т. п.).

Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. Это изнашивание подразделяется на окислительное и изнашивание при фретгинг-коррозии.

Окислительное изнашивание характеризуется тем, что основное влияние иа изнашивание имеет химическая реакция металла с кислородом или окислительной средой. Проявляется этот вид изнашивания у деталей подвижных сопряжений, на поверхности которых образуется твердая пленка окислов. При трении происходит выкрашивание пластически недеформируемых хрупких окислов.

Изнашивание при фретпитг-коррозии возникает при трении скольжения с очень малыми колебательными относительными перемещениями. При ударах и вибрации происходит интенсив- вое окисление соприкасающихся поверхностей вследствие резкой активации шгастически деформируемого металла. В результате на рабочих поверхностях в местах контакта появляется резко выраженное разрушение.

Изнашиванию при фретгинг-коррозии подвергаются посадочные поверхности подшипников качения, болтовые и заклепочные соединения рам и другие детали.

Изнашивание

Трение поверхностей сопровождается изнашиванием. В зависи­мости от условий и режимов трения, физико-механических свойств применяемых материалов, микрорельефа поверхностей и других параметров, определяющих характер изнашивания, при трении двух сопряжённых поверхностей происходят сложные процессы, которые приводят к их износу.

Под износом понимается результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала. Износы могут быть естественные, ускоренные и аварийные. В процессе эксплуатации автомобилей происходит естественное изнашивание деталей. Графически процесс изнашивания двух сопряжённых де­талей обычно изображают следующим образом.

Рис. Характер протекания процесса изнашивания сопряженных деталей: 1 — при установившейся скорости изнашивания; 2 — при снижении скорости изнашивания; 3 — при уменьшении зазора в конце приработки

По вертикальной оси прямоугольной системы координат откладывают в выбранном масштабе величину износа деталей, по горизонталь­ной — пробег автомобиля. Точки соединяют плавными линиями. Полученные кривые показывают характер нарастания износа каждой детали по мере увеличения пробега автомобиля. Расстояние между кривыми свидетельствует о характере изменения зазора в сопряже­нии. Зазор SH устанавливается между деталями при сборке.

На идеализированной схеме можно выделить три этапа процесса изнашивания:

• приработка l1
• установившееся изнашивание l2
• аварийное изнашивание l3

Каждый из этих этапов отражает е состояние сопряженной пары. Переход от одного этапа к другому определяется количественным накоплением отдельных повреждений. На этапе приработки скорость изнашивания повы­шенная. Новые или отремонтированные детали прирабатываются. С трущихся поверхностей удаляются заусенцы, уменьшается их шероховатость, в отдельных случаях материал дает усадку. На этапе установившегося изнашивания (при работе в обычных условиях эксплуатации) скорость изменения изнашивания (tgα) почти посто­янна. Этап установившегося изнашивания составляет наибольшую часть ресурса сопряжённой пары. При увеличении зазора до пре­дельно допустимого S2 скорость изнашивания деталей интенсивно возрастает, заканчивается период нормальной работы деталей и наступает аварийное изнашивание. При этом на скорость изнаши­вания начинают влиять новые факторы: ударные нагрузки, биение, изменение теплового режима и условий смазки. Детали могут выйти из строя, что ведет к аварии.

Многие детали не имеют отчетливо выраженных этапов прира­ботки, установившегося и аварийного изнашивания деталей. Бывает, что скорость изнашивания почти постоянная, износ деталей меняется линейно с течением времени. В ряде случаев детали имеют четко выделяющиеся периоды приработки и естественного износа, или наоборот, скорость их изнашивания в процессе приработки и нор­мальной эксплуатации практически одинакова, но зато резко вы­деляется аварийный этап работы.

Из рисунке видны возможности увеличения этапа установившегося изнашивания при номинальном зазоре Sн и заданной величине предельно допустимого зазора S2: во-первых, за счет уменьшения зазора конца приработки S1 и, во-вторых, за счет снижения скорости изнашивания деталей сопряжения (уменьшения tgα). Согласно ри­сунку, уменьшение зазора конца приработки с S1 до S1′ повышает ресурс работы сопряжения на величину ∆l’2. Уменьшение скорости изнашивания, выраженное уменьшением угла наклона кривой износа от α1 до α2 повышает ресурс работы сопряжения на ∆l2″.

Выделяют три группы изнашивания:

• механическое
• коррозионно-механическое
• изнашивание в резуль­тате действия электрического тока

Каждая из групп изнашивания делится на виды.

Абразивное изнашивание возникает при трении скольжения и наличии между трущимися поверхностями мелкораздробленной твер­дой среды (например, песка), вызывающей выкрашивание частиц, металла из поверхности деталей. При этом процесс изнашивания не зависит от попадания абразивных частиц на поверхности трения.

Необходимо отметить, что размеры абразивных частиц с увели­чением длительности работы их в масле уменьшаются, поэтому их агрессивность постепенно снижается до нуля.

Изменение размеров деталей при абразивном изнашивании за­висит от ряда факторов:

• материала деталей
• механических свойств деталей
• режущих свойств абразивных частиц
• удельного давления при трении
• скорости скольжения при трении

Примером может служить изнашивание цилиндро-поршневой группы двигателя в результате попадания в цилиндры с воздухом пыли, зубьев шестерен и подшипников агре­гатов трансмиссии, открытых сопряжений деталей ходовой части. По результатам исследований абразивный износ деталей агрегатов трансмиссии автомобилей составляет от 2 до 11 мкм на 1000 км пробега.

Гидроабразивное изнашивание возникает в результате действия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости. Гидроаб­разивное изнашивание деталей топливных, масляных и водяных насосов, гидроприводов тормозов, гидроусилителей нередко прояв­ляется совместно с эрозионным изнашиванием, возникающим в результате действия потока жидкости (газа). Трение потока жид­кости о металл приводит к разрушению оксидной пленки, образу­ющейся на поверхности детали, и сопутствует коррозионному разру­шению материала, особенно под действием абразивных частиц и микроударов в случае возникновения кавитации.

Кавитационное изнашивание — это гидроэрозионное изнашива­ние при движении твердого тела относительно жидкости, когда пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает ме­стное повышение давления или температуры.

Газоабразивное изнашивание происходит в результате воздействия твердых частиц, увлекаемых потоком газа и перемещающихся относительно изнашивающейся поверхности.

Усталостное изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц, происходит при качении и скольжении. Износ обусловли­вается микропластическими деформациями и упрочнением поверх­ностных слоев трущихся деталей. При этом имеют место напряжен­ное состояние активных объемов металла у поверхности трения и особые явления усталости при знакопеременных нагрузках, вызы­вающих трение металла в поверхностных слоях и как следствие их разрушение. Пульсирующие нагрузки резко усиливают темпы осповидного износа.

Разрушение при таком износе характеризуется появлением мик­ро- и макротрещин, расположенных под небольшими углами к поверхности трения, с последующим развитием их в осповидные углубления в впадины. В результате износа частицы поверхностного слоя откалываются, поверхность становится неровной и приобретает матовый вид.

Усталостное изнашивание наиболее характерно для рабочих поверхностей подшипников качения и поверхностей зубьев шестерен.

Изнашивание при фреттинге происходит в результате механи­ческого изнашивания соприкасающихся тел при малых колебатель­ных относительных перемещениях.

Изнашивание при заедании возникает в результате схватывания, глубокого вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопря­женную поверхность. Этот вид изнашивания имеет место в зубчатых зацеплениях агрегатов трансмиссии при использовании несоответ­ствующего сорта масла или при его малом уровне.

Коррозионно-механическое изнашивание происходит при трении материалов, вступивших в химическое взаимодействие со средой. К коррозионно-механическим видам изнашивания относятся окис­лительное и изнашивание при фреттинг-коррозии.

Окислительное изнашивание возникает при наличии на повер­хностях трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом. Окислительное изнашива­ние характеризуется протеканием одновре­менно двух процессов — пластической деформации микроскопи­ческих объемов металла поверхностных слоев деталей и диффузии кислорода воздуха в деформируемые слои.

На первой стадии износа окисление происходит в небольших объемах металла, расположенных у плоскостей скольжения при трении. На второй стадии окисление захватывает большие объемы поверхностных слоев и глубина его соответствует глубине пласти­ческой деформации.

На первой стадии износа на поверхности трущихся деталей об­разуются пленки твердых растворов кислорода, на второй — хими­ческие соединения кислорода с металлом. Процесс окислительного изнашивания происходит в тонких поверхностных слоях и условно может быть разделен на три этапа: деформирование и активизация, образование вторичных структур и их разрушение.

На первом этапе происходит особый вид пластической деформа­ции — текстурирование и резкая активизация металла. На втором этапе благодаря наличию в зоне трения агрессивных компонентов среды происходит физико-химическое взаимодействие их с активи­зированным слоем — образование вторичных структур. На третьем этапе в результате многократного нагружения и внутренних напря­жений в пленках вторичных структур происходит образование и развитие микротрещин, ослабление связей на поверхности раздела и отслаивание пленки.

Последующее механическое воздействие приводит к разрушению и износу пленки. На обнаженных участках процесс повторяется вновь. Окислительному износу подвергаются шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, зубчатые зацепления и другие детали, работающие при трении скольжения.

Изнашивание при фриттинг-коррозии — это коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колеба­тельных перемещениях. В случае динамического нагружения и наличия вибрации и ударов окисление трущихся поверхностей про­исходит особенно интенсивно вследствие резкой активизации пла­стически деформируемого металла. Динамический характер нагруже­ния приводит к резкому повышению градиента деформации и тем­ператур, к окислению и схватыванию. Фриттинг-процесс возникает при трении скольжения с очень малыми возвратно-поступательными перемещениями в условиях динамической нагрузки.

Этот процесс можно считать пограничным между процессами химической коррозии и эрозии, поскольку интенсивность фриттинг-коррозии повышается с увеличением доступа кислорода, но умень­шается при увлажнении воздуха.

При фриттинг-коррозии наблюдается изнашивание посадочных поверхностей подшипников поворотных цапф, шестерен, болтовых и заклепочных соединений рам и других деталей.

Изнашивание при действии электрического тока (эрозионное изнашивание) поверхностей происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Работа агрегатов и узлов автомобилей сопровождается одновре­менно несколькими видами изнашивания. В чистом виде ни один из видов изнашивания не наблюдается. Как правило, в каждом работающем сопряжении деталей имеется вид изнашивания, опре­деляющий износостойкость деталей. Остальные виды изнашивания в большей или меньшей мере ему сопутствуют. Определяющий вид изнашивания зависит от условий эксплуатации, нагрузок и других причин и лимитирует время безотказной работы сопряжения.

Определяющим видом изнашивания металлических деталей ав­томобилей при их эксплуатации является механическое изнашива­ние. Правильное определение вида изнашивания, знание приемов уменьшения интенсивности того или иного изнашивания позволят в значительной степени увеличить срок службы деталей автомобилей.

Пластические деформации и разрушения

Такие повреждения связаны с достижением или превышением пределов текучести или прочности соответственно у вязких (сталь) или хрупких (чугун) материалов. Обычно этот вид разрушений является следствием либо ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильное управление автомобилем, дорожно-транспортные происшествия и т. п.). Иногда пластическим деформациям или разрушениям предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.

Усталостные разрушения

Этот вид разрушений возникает при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие при определенном числе циклов нагружения к усталостному разрушению деталей. Совершенствование методов расчета и технологии изготовления автомобилей (повышение качества металла и точности изготовления, исключение концентраторов напряжения) привело к значительному сокращению случаев усталостного разрушения деталей. Как правило, оно наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры) у рессор, полуосей, рамы.

Коррозия

Это явление происходит вследствие агрессивного воздействия среды на детали, приводящего к окислению (ржавению) металла и, как следствие, к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида. Основными активными агентами внешней среды, вызывающими коррозию, являются соль, которой посыпают дороги зимой, кислоты, содержащиеся в воде и почве, а также компоненты, входящие в состав отработавших газов автомобилей, и их химические соединения. Коррозия главным образом поражает детали кузова, кабины, рамы. Для деталей кузова, расположенных снизу, коррозия сопровождается абразивным изнашиванием в результате воздействия на поверхность при движении автомобиля абразивных частиц — песка, гравия. Сильно способствует коррозии сохранение влаги на металлических поверхностях, в том числе под слоем дорожной грязи, что особенно характерно для всякого рода скрытых полостей и ниш.

Коррозия способствует усталостному изнашиванию и разрушению, так как создает на поверхности металла концентраторы напряжения в виде коррозионных язв. Такой вид разрушений наблюдается, например, в местах сварки, крепления кронштейнов рессор.

Старение

Показатели технического состояния деталей и эксплуатационных материалов изменяются под действием внешней среды. Так, резинотехнические изделия теряют прочность и эластичность в результате окисления,термического воздействия (разогрев или охлаждение), химического воздействия масла, топлива и жидкостей, а также солнечной радиации и влажности.

В процессе эксплуатации свойства смазочных материалов и эксплуата­ционных жидкостей ухудшаются в результате накопления в них продуктов износа, изменения вязкости и потери свойств присадок. Детали и материалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении:

• снижаются прочность и эластичность резинотехнических изделий
• у топлива, смазочных материалов и жидкостей наблюдаются процессы окисления, сопровождаемые выпадением осадков