Трение и изнашивание деталей

Два твердых тела, испытывающие внешнее силовое взаимодействие и совершающие относительное перемещение, образуют пару трения. Фрикционным контактом называют примыкающую к границе раздела контактирующих тел область, в которой наблюдаются процессы массопереноса, обуславливающие потери на трение и износ пары трения.

Схема фрикционного контакта показана на рис. 8.

Рис. 8. Схема фрикционного контакта пары трения "ползун - плоскость" и распределение макроскопических давлений р вдоль контакта: А, В - области легких и тяжелых нагрузок; p* - условное давление, разграничивающее легкие и тяжелые нагрузки

Малые размеры пятен фактического контакта и незначительная суммарная площадь их поверхности по сравнению с номинальной площадью являются причиной значительных фактических давлений. В результате возникают флуктуации напряжений и деформаций, которые локализуются (ограничиваются) в зонах пятен фактического контакта, что предопределяет зону фрикционного разрушения в виде тонкого подповерхностного слоя.

Нагруженность контакта обычно существенно повышается вследствие возникновения дополнительных касательных контактных напряжений. Подповерхностный слой может находиться в упругом и упругопластическом состоянии. Соответственно фрикционное взаимодействие называют упругим или упругопластическим. Толщина деформированного слоя зависит от напряженно-деформированного состояния, определяется критерием разрушения и соизмерима с пятном касания. При сдвиге реальных тел в него втягивается система плоскостей скольжения и деформация сдвига охватывает пограничный слой, в котором реализуется относительное скольжение тел. Стационарное состояние такого слоя рассматривается как динамическое равновесие процессов нарушения и восстановления физических связей. В кинематическом смысле пограничный слой ограничивает в себе разрыв скорости, характерный для движущихся тел.

Фрикционный контакт состоит из пограничного и подповерхностного слоев.

Движение вещества в пограничном слое определяет диссипацию энергии (рассеяние и перехода в другие виды) и процессы разрушения фрикционного контакта. В общем случае структура пограничного слоя сложна и непостоянна во времени. Для удобства анализа различают начальное (предварительное смещение), неустановившееся и установившееся (после приработки) его состояния.

Пограничный слой в начальном состоянии можно рассматриватькак матричный материал в состоянии пластического сдвига, микроструктурными особенностями которого являются дефекты различной природы: микропоры, образованные впадинами между микронеровностями контактирующих тел; субмикропоры, образованные впадинами между субмикронеровностями трущихся тел; субмикропоры материала как результат эволюции зародышевых микротрещин; граница раздела трущихся тел в пределах пятна фактического контакта. Обычно граница раздела является «сильной», т.е. обладающей большим напряжением течения областью микроструктуры пограничного слоя. Для оценки неоднородности стуруктуры материала используют значения коэффициента фрикционного упрочнения. При этом неоднородность структуры является одной из основных причин возникновения растягивающих напряжений в пограничном слое при его деформировании.

При легких нагрузках на пару трения пограничный слой ограничен микроскопическими пятнами фактического контакта и наибольший масштаб дефектов его структуры определяется субмикропорами. Толщина такого пограничного слоя имеет субмикроскопические масштабы. При тяжелых нагрузках протяженностьпограничного слоя определяется контурными пятнами контакта и наибольшим дефектом его структуры являются микропоры. Толщина пограничного слоя в этом случае имеет микроскопические масштабы.

Достаточные экспериментальные данные, подтверждающие возможность использования континуальных подходов к процессам субмикроскопических масштабов, отсутствуют. Однако имеются теоретические доводы в пользу такого подхода. Для сохранения единства подходов к описанию состояния пограничного слоя независимо от его масштабов рассматривают пограничный слой как некую структурно-неоднородную среду, параметры которой связаны с природой и масштабами определяющих его состояние дефектов.

Усредненное по объему пограничного слоя напряжение его течения, оцениваемое касательным контактным напряжением, называемым часто удельной силой трения, выражается зависимостью

а усредненная интенсивность деформации Г сдвига в пограничном слое, пропорциональная относительному смещению х тел, вызывает увеличение объема (толщины) пограничного слоя

происходящее вследствие разрыхления поверхностного слоя и увеличения пор на различных масштабных уровнях. Данные о структурных неоднородностях пограничного слоя можно получить из диаграмм сдвига, на которых изображают условия течения при сдвиге пограничного слоя, и диаграмм предварительного смещения при наличии и отсутствии структурной неоднородности. Параметр β можно использовать как обобщенную характеристику структурной неоднородности пограничного слоя, которая отражает влияние системы дефектов на движение вещества в пограничном слое.

При достижении разрыхлением некоторого критического значения, которому соответствует определенная величина перемещения, поры сомкнутся и произойдет сдвиг в пограничном слое. По мере относительного сдвига тел происходит непрерывное разрушение и восстановление микрообъёмов вещества пограничного слоя. При этом часть материала диспергируется и образуются свободные частицы износа. Локальное изменение объёмов пограничного слоя является дополнительным источником флуктуаций напряжений в подповерхностном слое.

Пограничный слой испытывает давление, развиваемое в пятнах фактического контакта, которое в общем случае знакопеременно. Поэтому, используя член, учитывающий влияние сжимающего давления σ_n наскорость разрыхления, получают следующую зависимость

где σ_n - безразмерное гидростатическое давление.

В общем случае коэффициент β вследствие структурных изменений в веществе, связанных с физико-химическими и механическими процессами при трении.

Флуктуации напряжений в пограничном слое вызывают упругопластические деформации в подповерхностном слое. В этом случае эволюция его структуры также может включать стадии разрыхления и разрушения. Разрыхление подповерхностного слоя при трении подтверждено экспериментально. Вследствие отсутствия в нем микропор и меньшего уровня напряжений, скорость разрыхления вещества в этом слое намного ниже скорости разрыхления его в пограничном слое.

Количество диспергируемого вещества в единицу времени называют скоростью фрикционного разрушения. В момент диспергирования фрагменты разрушения подповерхностного слоя вовлекаются в движение и захватываются пограничным слоем, который скачком увеличивает свои размеры. В следующей за начальной неустановившейся фазе движения в структуре пограничного слоя появляются новые элементы — фрагменты разрушения. Характер их движения может оказать существенное влияние на диссипативные свойства фрикционного контакта и процессы его разрушения. Типичным является ротационный механизм движения фрагментов разрушения. В этом случае их называют молями. Приобретая сферическую или цилиндрическую форму, моли под действием сил, возникающих в их контакте с поверхностями трущихся тел, совершают вращательное движение, перемещаясь к границе контактной зоны, разрыхляя и диспергируя подповерхностные слои по описанной выше схеме. Характеристикой их движения является коэффициент скольжения (i), который определяется отношением угловой скорости моля при данной степени обжатия и в предположении чистого качения. Значениекоэффициентазависит от нагрузки на моль, определяющей степень его обжатия или внедрения в материал, адгезии его к поверхностям. При некоторой нагрузке, являющейся своего рода потенциальным барьером движения моля, последний теряет способность к движению, шаржируя, намазываясь на поверхность либо разрушаясь. Существует также нижний предел давления, ниже которого моль перестает двигаться. При полной разгрузке тел возможен вынос моля из контактной зоны. Локальная скорость молей зависит от их концентрации молей, давления на них, а также от градиента нормальных напряжений и концентрации молей и потенциальных барьеров их движения. Поскольку нормальные напряжения σ_n вдоль поверхности трения распределены неравномерно, скорость движения молей зависит от координат. При столкновении молей может произойти их объединение в конгломераты сферической формы, способность перемещаться у которых выше, чем у единичных молей.

Описанная схема разрыхления, диспергирования, ротации и объединения частиц износа в конгломераты подтверждается экспериментальными исследованиями.

Другой схемой поведения молей является их объединение в конгломераты по приведенной выше схеме с последующим пластическим «размазыванием» по поверхности. В результате образуется новая слоистая структура, называемая вторичной. Ротационные эффекты, турбулезируя массоперенос при образовании вторичных структур, определяют в значительной степени попадание в их состав различного рода примесей, их механическое перемешивание и последующее спекание на стадии «размазывания». При такой схеме движения скорость фрикционного разрушения намного превышает скорость выноса разрушенного материала из контактной зоны. После образования равномерного слоя вторичной структуры наступает установившееся состояние пограничного слоя, который приобретает субмикроскопическую толщину, периодически увеличивающуюся в моменты разрушения подповерхностного слоя.

При трении скольжения во фрикционном контакте происходит циркуляционный массообмен между пограничным и подповерхностным слоями по следующей схеме: соприкосновение локальных микроучастков поверхностей - образование зоны схватывания с сильной границей - пластический сдвиг, вызывающий разрыхление и диспергирование - образование и ротация молей - намазывание их на поверхность в результате пластической деформации. Массоперенос в пограничном слое протекает в общем случае по трансляционной и ротационной схемам движения. Соотношение этих видов движения характеризуют коэффициентом перемежаемости. При отсутствии ротационной моды приведенный коэффициент равен нулю, при отсутствии трансляционной моды коэффициент перемежаемости равен единице. Вероятность ротационного образования молей при пластическом сдвиге матричного материала пограничного слоя можно оценить определенной зависимостью.

Коэффициент перемежаемости является важной характеристикой движения, определяющей диссипативные свойства пограничного слоя.

В процессе движения и массообмена во фрикционном контакте часть вещества теряется, что и определяет износ сопряжения. Обычно кинетика изнашивания изображается в виде графика. За меру износа выбирают относительное перемещение тел по нормали к их контактным поверхностям для условий нагружения и разгрузки, а также для догрузки сопряжения и при полной его разгрузке. Положительное направление соответствует их размыканию. Анализ полученных экспериментальных зависимостей показывает, что более нагруженные в начальный момент времени участки поверхности еще сильней нагружаются в силу их «выпучивания» вследствие разрыхления, а менее нагруженные - разгрузятся в силу размыкания поверхностей. Со временем по мере неравномерного износа поверхности давление выравнивается, однако при превышении определенного уровня значений параметра р, на­грузки и начальной степени неравномерности ее распределения процесс циклического перераспределения нагрузок не затухает и приобретает устойчивый автоколебательный характер. Этот эффект назван пла­стической нестабильностью фрикционного контакта. Вызываемые им флуктуации микронапряжений могут достичь макроскопических размеров, что приводит к макроскопическим масштабам разрушения и заеданию.

Узлы трения современных машин, как правило, эксплуатируются в при отсутствии смазочного материала. Образуемые граничные слои смазочного материала, оказывая пластифицирующее действие, ослабляют «сильные» области структуры фрикционного контакта и тем самым внутренние микронапряжения, что снижает скорость фрикционного разрушения. Смазочный материал оказывает и чисто механическое влияние на состояние пограничного слоя. Развиваемое им в микропорах гидростатическое давление способствует выравниванию его по всей области пограничного слоя. В процессе деформирования часть пор сжимается, испытывая расклинивающее действие со стороны жидкости, а другая расширяется. Вследствие кавитации равнодействующая сил порового давления смазочного материала избыточна, что определяет несущую способность смазочных слоев при несовершенной смазке.

Развиваемая подъемная сила определяется функцией пограничного слоя, вязкостью смазочного материала, интенсивностью скорости его деформации и скоростью разрыхления пограничного слоя. Разрыхление, увеличивая объем микропор, снижает скорость сжатия сжимаемых и увеличивает скорость расширения расширяемых микропор, что снижает развиваемое в них расклинивающее гидростатическое давление и в результате оказывает влияние на условия смазывания фрикционного контакта. В результате совместного протекания приведенных выше процессов устанавливается тесная взаимосвязь процессов, называемых трением, изнашиванием и смазкой.

Несмотря на различную природу, масштабы и причины разрушения в пограничном и подповерхностном слоях оказывают сильное влияние друг на друга.

Обычно процессы изнашивания протекают немонотонно. При этом существуют параметры, комбинация которых и определяет характер процесса изнашивания. Их называют критическими параметрами. Наиболее распространена комбинация нагрузки, скорости и температуры, причем некоторые из них косвенно влияют друг на друга. Эти параметры оказывают существенное влияние на вид разрушения подповерхностного слоя, изменение свойств поверхностных слоев, в том числе уменьшается скорость разрыхления пограничного слоя (при росте температуры) и соответственно увеличивается скорость его залечивания, происходит изменение структуры, состава фаз.

В настоящее время различные виды изнашивания сведены в классы, в пределах которых закономерности изнашивания достаточно устойчивы. В контролируемых условиях, создаваемых обычно при соблюдении условий эксплуатации, возникает адгезионное, окислительное и коррозионно-механическое изнашивание. При адгезионном изнашивании увеличивается толщина пограничного слоя и при превышении зазора в сопряжении происходит заклинивание деталей и их поломка. Окислительное изнашивание протекает в неагрессивной среде в результате повышения температуры. Последний из приведенных видов изнашивания характеризуется образование вторичных структур вследствие химических или электрохимических реакций.

Газо- и гидроабразивное изнашивание протекают при воздействии на поверхность потока твердых частиц, увлекаемых в зазор сопряжения потоком жидкости или газа. Существует также кавитационное изнашивание, сущность которого заключается в следующем. В пограничном потоке движущейся жидкости наряду с зонами повышенного давления существуют зоны разрежения. Если давление в некоторых зонах падает ниже давления насыщенных паров жидкости, в них нарушается сплошность потока. Попадая в зоны действия высоких давлений, такие полости схлопываются, вызывая эффекты гидравлических микроударов, разрушающих поверхности тел. Мерами борьбы являются ламинаризация скорости потока в пограничном слое и введение эмульгаторов в состав жидкости (при возможности осуществления).

Характеристиками изнашивания являются линейный износ за время наработки, объемный и массовый износ со всей поверхности детали, а также износ сопряжения. Для количественного описания процесса трения и изнашивания используют удельные (на единицу поверхности трения) характеристики потока материала, уносимого при разрушении за единицу наработки. К таким параметрам относят скорость изнашивания, интенсивность изнашивания и энергетический показатель изнашивания. Величина, обратная интенсивности изнашивания, называется износостойкостью. Для оценки качества работы трибосопряжения наиболее часто используют интенсивность линейного изнашивания, поскольку от нее зависит изменение линейных размеров деталей. Приведенная величина является унифицированным показателем качества работы трибосопряжения. Эта величина изменяется в широких пределах и для отображения используется логарифмическая шкала. Устанавливается десять классов износостойкости - от 3 до 12 включительно, причем нижняя граница не входит в состав класса. Каждый класс разбит на пять разрядов (от 1 до 5). Для обозначения износостойкости устанавливается буквенно-цифровой символ, начинающийся буквами КИ и цифрами через косую черту: класс и разряд в данном классе.

Раздел 5

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: