Износостойкость деталей

Срок службы многих деталей ограничивается износом рабочих поверхностей. Износ — это результат происходящего при трении процесса постепенного разрушения рабочих поверхностей детали (изнашивания), изменяющего ее размеры и форму. В результате износа меняется характер сопряжения деталей. Например, снижается прочность из-за уменьшения сечений, растут динамические нагрузки, нарушается герметичность сопряжений, повышается шум при работе и т. д. Изнашивание может происходить вследствие взаимного воздействия сопряженных трущихся поверхностей, чему способствуют твердые частицы (абразивы), входящие в состав среды, в которой происходит работа деталей. В этом случае износ называют абразивным. Срок службы детали со времени вступления ее в работу до момента выбраковки в результате износа можно разделить на три периода (рис. 0.5, а).

Первый период OA называется приработкой. Она обусловлена зецеплением больших неровностей (ГОСТ 2789—73), оставшихся после механической обработки поверхности, которые пластически деформируются, уменьшаясь по высоте (рис. 0.5, б). Приработка продолжается до тех пор, пока ширина образуемых площадок не окажется больше ширины оснований впадин (рис. 0.5, в). Второй период АВ — нормальная эксплуатация. Он характеризуется установившимся изнашиванием и. Основной характеристикой этого периода является скорость изнашивания: чем она меньше, тем большим оказывается срок службы деталей. Третий период ВС — повышенное изнашивание — вызывается недопустимым увеличением зазоров в сопряжении. При больших зазорах ухудшаются условия смазывания и возрастает энергия соударения работающих поверхностей. В результате они приобретают наклеп и повышенную хрупкость. Скорость изнашивания du/dt зависит от размера и характера нагрузки, скорости скольжения, смазки, охлаждения, химической и физической активности среды и т. д. Так как трение сопровождается чрезвычайно высокими давлениями, передаваемыми через отдельные выступающие точки поверхностей, а следовательно, и высокими местными температурами, поверхностный слой претерпевает структурные и химические изменения, ускоряющие износ. Уменьшение износа достигается правильным выбором материалов деталей сопряженной пары и технологией изготовления (режим изготовления и упрочнения, нанесение покрытий и т. д.). Наиболее эффективным и широко распространенным способом уменьшения износа является смазка рабочих поверхностей деталей.

Смазка уменьшает силы трения, в результате чего повышается к. п. д. механизмов и их надежность (долговечность). В зависимости от режима смазки различают жидкостное и полужидкостное трение. При жидкостном трении трущиеся поверхности, например вала 1 и отверстия 2 (рис. 0.6, а), разделены слоем масла. Поэтому сопротивление движению, определяемое только внутренним трением смазочной жидкости, мало. Коэффициент жидкостного трения f = 0,001...0,005. В случае полужидкостного трения при h ≥ Rz1 + Rz2 происходит как жидкостное, так и сухое трение. Здесь коэффициент жидкостного трения зависит не только от качества смазочной жидкости, но и от материалов трущихся поверхностей: f = 0,008...0,1. При этом имеет место износ трущихся поверхностей. Таким образом, оптимальным является режим жидкостного трения. Исследования по определению условий получения жидкостного трения привели к разработке гидродинамической теории смазки *. В результате было установлено, что для получения жидкостного трения между трущимися поверхностями должен быть сужающийся (клиновидный) зазор (рис. 0.6, б). В этом случае при достаточной скорости σ движения детали 1 относительно детали 2 в масле, протекающем через клиновой зазор (< α), возникает давление р, которое уравновешивает внешнюю нагрузку F и создает этим режим жидкостного трения. Скорость, при которой наступает режим жидкостного трения, называется критической σкp. При цилиндрической форме поверхностей деталей (рис. 0.6, в), как, например, в подшипниках скольжения (см. с. 60), масляный клин получается при опускании вала из-за зазора Δ на размер Δ/2. В этом случае при ω > ωкр наступает жидкостное трение и центр О1 вала с увеличением ω смещается по сложной траектории О0О1О в направлении его вращения, стремясь (при ω = ∞) сблизиться с центром О отверстия. Из изложенного следует, что для получения режима жидкостного трения необходимо, чтобы между скользящими поверхностями деталей был клиновой зазор, масло соответствующей вязкости непрерывно поступало в этот зазор; скорость относительного движения поверхностей была больше некоторого критического значения.

* Основоположник гидродинамической теории смазки — Н. П. Петров (1883). Дальнейшее развитие эта теория получила в трудах О. Рейнольдса, Н. Е, Жуковского, С, А, Чаплыгина и др.