книги / Трение и износ деталей машин

поверхностей от воздействия внешней среды при консервации машин пе­ ред длительным хранением. Нанесенные на наклонные и даже вертикаль­ ные поверхности пластичные смазочные материалы не стекают. Они должны выполнять свои защитные функции в течение нескольких лет.

Нетекучесть пластичных смазочных материалов позволяет широко использовать их для герметизации и уплотнения различных сопряжений. В связи с тем, что пластичные смазочные материалы применяют в открытых узлах трения машин, предъявляются повышенные требования к их вязко­ стно-температурным характеристикам. Пластичные смазочные материалы должны обладать хорошими антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами для обеспечения минимальных потерь на трение и максимальной долговечности сопряжений, работающих в услови­ ях изнашивания.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к пластичным смазочным материалам, является водостойкость. Материалы не должны растворяться в воде, смываться, поглощать воду в процессе работы сопря­ жения. В условиях интенсивного динамического нагружения и изменения температуры в широком интервале они должны обладать высокой механи­ ческой, коллоидной и химической стабильностью, лишь в этом случае обеспечивается большой срок их службы.

Так же, как и свойства масел, эксплутационные свойства пластичных смазочных материалов обеспечиваются с помощью соответствующих при­ садок. Основные показатели свойств пластичных смазочных материалов, применяемых в дорожно-строительных, автотранспортных и сельскохо­ зяйственных машинах, приведены в табл. 6 .

В состав пористых спеченных самосмазывающихся материалов вхо­ дят металлические порошки (стружка), твердые смазочные материалы и минеральные масла. Недостатком таких материалов является быстрое “за­ купоривание” пор продуктами износа и абразивными частицами и, как следствие, потеря эффекта самосмазывания.

Металлофторопластовые самосмазывающиеся материалы представ­ ляют собой трехслойную ленту, состоящую из низкоуглеродистой сталь­ ной подложки с нанесенной на нее сферической бронзой. Лента пропиты­ вается в вакууме смесью фторопласта с мелкодисперсным свинцом, брон­ зой или дисульфидом молибдена. Вышеназванные материалы обладают хорошей работоспособностью, однако их повышенный износ при ударных нагрузках и наличии абразивных частиц, высокая стоимость и сложная технология изготовления не позволяют широко внедрять эти материалы.

Для работы в тяжелонагруженных узлах трения машин в условиях статического нагружения при малых скоростях скольжения и невысоких рабочих температурах созданы тканевые материалы на фторопластовой основе с пропиткой индустриальными маслами. Такие материалы приме-

ные (ОТП, ЛЗ-28, АБЭС), противоизносные (ДФ-11, ЭФО, Хлорэф-40), многокомпонентные (ВНИИНП-360 + ПМС + ВНИИНП-354; ДФ-11 + ПМС-200А).

Адгезионные присадки предназначены для повышения липкости и нерастекаемости масел. В эту группу присадок входят полярно-активные вещества, повышающие адгезионные силы притяжения пленки масла к твердой поверхности детали.

Моющие присадки служат для предотвращения отложений и образо­ вания нагара на поверхностях деталей, работающих при повышенной тем­ пературе.

Деэмульгаторы - присадки, разрушающие водомасляные эмульсии и таким образом способствующие снижению содержания воды в смазочном материале.

Антиокислительные присадки используют для замедления процессов старения и окисления масел.

Депрессорные присадки предназначены для снижения температуры застывания и, как правило, входят в состав масел, рекомендуемых для применения в зимнее время и условиях холодного климата. Назначение присадок остальных типов очевидно из их наименований.

Для улучшения эксплутационных свойств масел в их состав вводят композицию нескольких присадок - так называемые многокомпонентные присадки, обеспечивающие противоизносные, антиокислительные, проти­ вокоррозионные и моющие свойства. Состав композиции зависит от на­ значения присадок и совместимости компонентов.

Химически активными присадками являются органические соедине­ ния, содержащие серу, хлор, фосфор (в том числе их соединения с азотом, кислородом, цинком, молибденом и др.) или комбинации этих элементов. Молекулы этих соединений при определенных температурах фрикционно­ го разогрева (100-250 °С) разлагаются, их активные компоненты вступают в химическое соединение с металлом поверхностей трения, образуя моди­ фицированные слои с пониженным сопротивлением сдвигу, что приводит к снижению трения, а также к уменьшению износа и предотвращению за­ едания. Противоизносные и противозадирные присадки, широко приме­ няемые для улучшения качества масел, приведены в табл. 8 .

8. ИЗНАШИВАНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с по­ верхности твердого тела и накопления остаточной деформации, прояв­ ляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела.

При изнашивании происходит нарушение фрикционных связей. Эти связи возникают на поверхностях двух тел под действием нормальных и тангенциальных сил и исчезают при снятии этих сил.

На рис. 18 показано пять основных видов нарушения фрикционных связей.

Первые три вида наблюдаются при механическом взаимодействии, последние два - при молекулярном. В зависимости от величины адгезии и относительной глубины внедрения имеет место (см. рис. 18): а - упругое оттеснение материала; 6 - пластическое оттеснение материала; в - срез внедрившегося материала; г - схватывание пленок, покрывающих поверх­ ности твердых тел, и их разрушение; д - схватывание поверхностей, со­ провождающееся глубинным вырыванием материала.

т т ж

Рис. 18. Основные виды нарушения фрикционных связей

При внешнем трении наблюдается три стадии: приработка, период установившегося режима, катастрофическое изнашивание (рис. 19). При­ работка - изменение геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющееся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

Рис. 19. Зависимость износа от пути трения. 1 - приработка; И - устано­ вившийся режим; 111 - катастрофический износ

В результате приработки изменяются характеристики исходной ше­ роховатости поверхностей и образуется новая, равновесная шероховатость, которая сохраняется на протяжении всей последующей стадии процесса - установившегося режима.

Процесс приработки сопровождается механическим упрочнением поверхностей (наклепом), что способствует реализации упругого фрикци­ онного контакта, при котором интенсивность изнашивания минимальна.

После того как в результате определенного времени работы износ сопряжений достигает предельной величины, возникает режим катастро­ фически быстрого изнашивания и пара трения становится неработоспо­ собной.

Одной из основных особенностей процесса изнашивания является его усталостный характер. Для того чтобы с элемента поверхности трения отделилась частица износа, необходимо его многократное взаимодействие с неровностями поверхности сопряженного тела. В результате этого взаи­ модействия в микрообъемах вещества, примыкающих к поверхности тре­ ния, постепенно накапливаются повреждения, что в конце концов приво­ дит к разрушению микрообъемов поверхности. Усталостный характер из­ нашивания проявляется при любых видах деформаций на контакте, как пластических, так и упругих.

8.1. Механизм изнашивания

При изнашивании одновременно происходят три явления: взаимо­ действие поверхностей трения; изменения, происходящие в поверхностном слое металла; разрушение поверхностей.

Взаимодействие поверхностей трения может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие проявляется во взаимном внедрении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Схватывание возникает только при взаимодействии металли­ ческих материалов и отличается от адгезии более прочными связями. Оно наблюдается при разрушении масляной пленки и взаимном внедрении по­ верхностей.

Многократные упругие деформации, возникающие из-за несовер­ шенства структуры материала и неровностей поверхности, обусловливают усталостное выкрашивание поверхностей качения, а многократные дефор­ мации микронеровностей поверхностей скольжения разрыхляют структуру и приводят к накоплению дефектов.

Высокая температура и пластическая деформация способствуют раз­ витию диффузионных процессов; в итоге возможны обогащение поверхно­ стного слоя некоторыми элементами (например, углеродом), коагуляция структурных составляющих, взаимное диффузионное растворение мате­ риалов деталей пар трения.

При значительном локальном повышении температуры и последую­ щем резком охлаждении нагретой поверхности окружающей холодной

массой металла на этой поверхности могут образовываться закалочные структуры. Высокие градиенты температур в совокупности с пластической деформацией и структурно-фазовыми превращениями создают в металлах высокие внутренние напряжения, которые могут стать причиной возник­ новения дефектов структуры, ее ослабления или разрыхления.

В условиях больших удельных нагрузок и температур при трении возможно образование магмы-плазмы (рис. 20). Микроконтакты длятся очень короткое время ( 1 0 —7 ... 1 0 “ 8 с), в течение которого к контакту подво­ дится большое количество энергии. Валентные электроны отрываются, и образуются ионы, а вещество переходит в плазменное состояние.

Рис. 20. Модель магмы-плазмы: 1 - исходная структура; 2 - расплав­ ленная структура; 3 - плазма; 4 - электроны трибоэмиссии

На пятнах контакта вещество в течение некоторого времени нахо­ дится во всех четырех агрегатных состояниях - твердом, жидком, газооб­ разном и плазменном.

Процесс образования в зоне соударения неровностей поверхностей магмы-плазмы сопровождается эмиссией электронов.

Вследствие мгновенной локализации энергии на пятнах контакта в материале происходят такие физические и химические процессы, которые не согласуются с законами классической термодинамики.

В среде воздуха или смазочного масла на обнаруживающихся при изнашивании чистых металлических поверхностях образуются окисные пленки в результате действия кислорода, содержащегося в воздухе или масле и его перекисях. Окисные пленки предохраняют поверхности от схватывания и связанного с ним глубинного вырывания.

В разных условиях и различных парах трения после приработки все­ гда устанавливается одинаковая “равновесная” шероховатость. Эта шеро­ ховатость воспроизводится в процессе изнашивания поверхностей и оста­ ется в среднем постоянной. Исходная микрогеометрия поверхностей тре­ ния не влияет на равновесную шероховатость.

8.2. Виды разрушения рабочих поверхностей деталей машин

Виды разрушения рабочих поверхностей деталей при трении много­ образны, что связано с совокупным действием механических, физико­ химических, электрохимических и других процессов при контакте и с ус­ ловиями окружающей среды (температура, влажность и т.п.). Основными факторами, определяющими повреждения поверхностей и износ, являются:

-пластические деформации, разрушение микронеровностей и оксид­ ных пленок в результате внедрения отдельных участков поверхности од­ ной детали в сопряженную поверхность другой детали и их взаимного смещения; адгезионное схватывание и перенос металла с одной детали на другую;

-наводороживание и окислительные процессы;

-разрушение “мостиков” схватывания и др.

Название вида изнашивания определяется доминирующей причиной, обусловливающей разрушение поверхностей.

Экспериментальные исследования и опыт эксплуатации показали, что механизм и характер разрушения рабочих поверхностей деталей пар трения при различных уровнях и природе смазки могут существенно отли­ чаться для материалов, сопоставимых между собой по механическим или каким-либо иным свойствам.

Рассмотрим основные виды изнашивания, присущие рабочим по­ верхностям деталей при трении.

Абразивное изнашивание обусловлено наличием в зоне трения аб­ разивной среды. Зерна абразива могут попадать на трущиеся поверхности извне, содержаться в материале трущихся пар или в продуктах износа. Сущность абразивного износа заключается в разрушении поверхностных контактирующих слоев материала трущихся пар твердыми абразивными частицами.

Взаимодействие абразива с деталью происходит в два этапа: на пер­ вом происходит внедрение абразива в тело детали, на втором - относи­ тельное перемещение детали и внедрившегося в ее поверхность абразива. Оно сопровождается деформированием, микроцарапанием, микрорезанием поверхности трения. Многократное повторение таких элементарных актов приводит к отделению частиц металла, разрушению, изменению формы и размеров детали.

Абразивный износ поверхности рабочих органов проявляется в виде направленных микро- и макроцарапин длиной до 50 мм и глубиной до 6 мм,

атакже микровырывов металла, средняя площадь которых достигает 1 0 мм2,

аглубина 5-5000 мкм.