Основной причиной сокращения срока службы СТС является износ сопрягаемых поверхностей, движущихся относительно друг друга.
Вследствие изнашивания деталей меняется характер сопряжения, а уменьшение сечений снижает прочность деталей.
При больших нагрузках на контактируемые (трущиеся) поверхности и высоких скоростях скольжения, особенно при шероховатой поверхности, когда детали контактируют по выступам, возрастает количество выделяемого тепла. На тепловой режим контактируемых поверхностей оказывают влияние так же и другие негативные факторы, как недостаток смазки и плохое охлаждение. При этом возможно под-плавление металла и его выравнивание. В целом, снижение интенсивности износа достигается конструктивными, техническими и эксплуатационными мерами.
Процессы износа.
Износ включает в себя один или несколько следующих процессов:
- микросрезание, происходит при наличии осколков изнашиваемого материала или абразивных частиц, которые срезают крошечные частицы металла или вызывают поверхностную деформацию;
- пластическая или упругопластическая деформация, возникает в определенных областях поверхности, как результат высоких местных напряжений, появляющихся при контакте микрошерховатостей на соприкасающихся поверхностях;
- поверхностная усталость, образуется при повторяющихся упругих деформациях поверхности и действующих переменных усилий;
- местный перегрев, является результатом недостаточного теплоотвода; локальный рост температуры бывает настолько велик, что трущиеся поверхности расплавляются, образуя сварной спай;
- окисление, вызывает образование легко разрушающихся твердых пленок и окислов;
- молекулярное взаимодействие, возникает при больших давлениях и малой частоте вращения, при этом происходит холодная сварка и переход частиц металла с одной поверхности на другую;
- эффект Ребиндера, заключается в том, что смазка внедряется в микротрещины и является причиной возрастания давления, которое приводит к повреждению поверхностного слоя.
Виды износа.
Вышеперечисленные процессы могут происходить одновременно и вызывать любой из следующих видов износа.
Абразивный износ, возникает вследствие истирания твердыми частицами относительно мягкого материала рабочей поверхности. Абразивный износ появляется при работе деталей в пыльной атмосфере, при окислении смазки с образованием твердых частиц (цилиндровая смазка ЦПГ дизелей), при плохом удалении продуктов износа с поверхностей трения и из смазывающего масла.
Задир (скаффинг), представляет собой явление, при котором парные поверхности соприкасаются в условиях разрушения масляной пленки (задиры подшипников, цилиндровых втулок, плунжерных пар топливных насосов, повышенный износ поршневых колец и т.д.). При контакте поверхностей сопрягаемых деталей может возникнуть давление, способное разорвать смазывающую пленку и обнажить сопрягаемые поверхности, что создает условия для сваривания локальных участков. Повреждения поверхности, в результате которого образуются локальные спайки между трущимися поверхностями, называются скаффингом. Возрастание коэффициента трения на 30% может быть достаточным для возникновения деформации сдвига по всей контактной области сопрягаемых деталей.
Опасность задира увеличивается, когда между поверхностями происходит скольжение и качение, при этом влияние скольжения более значительно. При таких условиях могут возникнуть высокие мгновенные (локальные) температуры, так как во время контакта теплота не рассеивается, что может приводить к плавлению металла. Для этой формы разрушения характерны царапины, заканчивающиеся в области сплавления. Время контакта, необходимое для протекания процесса оценивается в 10 ~6с.
Скаффинг характерен для зубчатых зацеплений и пары «поверхность втулки - поршневые кольца ДВС». Различают две стадии этого процесса: рост коэффициента трения вследствие нарушения смазки, быстрый нагрев и разрушение поверхностного слоя, сопровождающееся интермолекулярным свариванием металла двух поверхностей.
Усталостный (питтинговый) износ, является следствием усталости поверхностного слоя или микрошероховатостей при относительном скольжении поверхностей. Для питтингового износа характерно макро- и микроязвенное разрушение поверхности.
Молекулярный износ характеризуется образованием локальных металлических соединений и отторжением образовавшихся частиц от трущихся поверхностей. Этот вид износа происходит при высоких давлениях и развивается с высокой скоростью.
Коррозионный износ происходит при наличии агрессивной (окислительной) среды. Разрушение окисной пленки, являющейся защитной для металла, приводит к обнажению "свежего" подслоя металла, который при наличии кислорода вновь окисляется. При циклических разрушениях окисной пленки процесс коррозионного износа идет непрерывно.
К видам износа следует отнести эрозионные разрушения материала СТС, такие как газовая, абразивная и кавитационная, механизм возникновения и протекания эрозионных разрушений рассмотрен в разделе эрозия.
Разрушение трущихся поверхностей.
Рельеф, химический состав и физическая структура трущихся поверхностей, условия, в которых они работают (температура, скорость, давление) влияют на трение и износ. Любая металлическая поверхность покрыта тонким слоем оксидной пленки толщиной в несколько ангстрем и состоящей, в основном, из химически абсорбированного кислорода, который в большинстве случаев поглощается из атмосферного воздуха. Пленка является защитой для основной поверхности, однако, будучи разрушенной на локальных участках она теряет защитные свойства, так как металлический контакт способствует активному взаимодействию поверхностей деталей, не только со смазочным маслом, но и с химически активными веществами. Наряду с этим, сопротивление некоторых твердых тел нагрузкам и деформациям снижается в присутствии поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера). Этот эффект связан с обратимой адсорбцией, снижающей сопротивление поверхностного слоя материала. Такие поверхности очень чувствительны к адсорбции поверхностно-активных веществ и значительно облегчают процесс деформации, иногда более эффективно разрушая материал, чем химическая реакция.
Исследования работы различных узлов трения позволяют установить характер изнашивания деталей и выделить три различимых фазы:
График зависимости износа подвижного соединения от времени его работы
I. Первый период, участок АВ - период приработки, характеризуется повышенным износом, при котором изменяется макро- и микроструктура поверхностей. Под прирабатываемостью понимается свойство материала увеличивать, посредством изнашивания, обработки или пластического деформирования поверхность прилегания деталей трущейся пары. В результате приработки увеличивается фактическая площадь касания трущихся деталей, уменьшается давление, снижается температура и создаются лучшие условия для смазки.
Повышенный износ трущихся деталей в период приработки можно объяснить явлением взаимного внедрения прижатых поверхностных слоев металла и зацеплением неровностей при грубой обработке. При движении прижатых поверхностей с участками внедрения, последние должны как бы "пропахать" или выработать себе проход в сопряженной детали. Образование таких проходов сопряжено с деформацией и интенсивным разрушением поверхностных слоев, что и определяет повышенный износ деталей в этот период. После взаимной приработки интенсивность изнашивания снижается и наступает второй период.
II. Второй период, участок ВС - период нормального изнашивания. Как правило, он имеет линейную зависимость изменения величины износа (зазора) от времени эксплуатации. Основными факторами, влияющими на величину износа в этой фазе, являются удельное давление и относительная скорость движения трущихся деталей. При абразивном износе, последний прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся поверхности и пути скольжения. Период нормального изнашивания является межремонтным периодом работы сопряжения. Знание межремонтного периода работы (tmax) позволяет рационально планировать ремонтно-восстановительные работы,
где: Smax - предельно допустимая величина зазора, мм;
SHa4 - начальная величина зазора приработанного соединения, мм;
tga - величина, характеризующая интенсивность изнашивания.
Обычно известны предельно допустимые величины зазоров (приведены в формулярах и инструкциях по эксплуатации, инструктивной и другой документации).
Значение tga определяется опытным путем (например, при заводских испытаниях технических средств в течение первых 500 часов).
Если t0 - число часов работы после приработки, а SQ - величина зазора соответствующий этому времени, то износ за время tQ характеризуется увеличением зазора,
Подставив tga в выражение, определяющее tmax, получим величину межремонтного периода.
III. Третий период, участок СД - период ускоренного изнашивания, является результатам количественных изменений в структуре поверхностей сопрягаемых деталей. По мере увеличения времени работы, на поверхностях трения происходит «накопление» последствий процессов изнашивания, в основном носящих усталостный характер, ухудшаются условия смазывающего действия масел, появляется динамическое нагружение. Дальнейший процесс изнашивания развивается катастрофически.
Вследствие изнашивания деталей меняется характер сопряжения, а уменьшение сечений снижает прочность деталей.
При больших нагрузках на контактируемые (трущиеся) поверхности и высоких скоростях скольжения, особенно при шероховатой поверхности, когда детали контактируют по выступам, возрастает количество выделяемого тепла. На тепловой режим контактируемых поверхностей оказывают влияние так же и другие негативные факторы, как недостаток смазки и плохое охлаждение. При этом возможно под-плавление металла и его выравнивание. В целом, снижение интенсивности износа достигается конструктивными, техническими и эксплуатационными мерами.
Процессы износа.
Износ включает в себя один или несколько следующих процессов:
- микросрезание, происходит при наличии осколков изнашиваемого материала или абразивных частиц, которые срезают крошечные частицы металла или вызывают поверхностную деформацию;
- пластическая или упругопластическая деформация, возникает в определенных областях поверхности, как результат высоких местных напряжений, появляющихся при контакте микрошерховатостей на соприкасающихся поверхностях;
- поверхностная усталость, образуется при повторяющихся упругих деформациях поверхности и действующих переменных усилий;
- местный перегрев, является результатом недостаточного теплоотвода; локальный рост температуры бывает настолько велик, что трущиеся поверхности расплавляются, образуя сварной спай;
- окисление, вызывает образование легко разрушающихся твердых пленок и окислов;
- молекулярное взаимодействие, возникает при больших давлениях и малой частоте вращения, при этом происходит холодная сварка и переход частиц металла с одной поверхности на другую;
- эффект Ребиндера, заключается в том, что смазка внедряется в микротрещины и является причиной возрастания давления, которое приводит к повреждению поверхностного слоя.
Виды износа.
Вышеперечисленные процессы могут происходить одновременно и вызывать любой из следующих видов износа.
Абразивный износ, возникает вследствие истирания твердыми частицами относительно мягкого материала рабочей поверхности. Абразивный износ появляется при работе деталей в пыльной атмосфере, при окислении смазки с образованием твердых частиц (цилиндровая смазка ЦПГ дизелей), при плохом удалении продуктов износа с поверхностей трения и из смазывающего масла.
Задир (скаффинг), представляет собой явление, при котором парные поверхности соприкасаются в условиях разрушения масляной пленки (задиры подшипников, цилиндровых втулок, плунжерных пар топливных насосов, повышенный износ поршневых колец и т.д.). При контакте поверхностей сопрягаемых деталей может возникнуть давление, способное разорвать смазывающую пленку и обнажить сопрягаемые поверхности, что создает условия для сваривания локальных участков. Повреждения поверхности, в результате которого образуются локальные спайки между трущимися поверхностями, называются скаффингом. Возрастание коэффициента трения на 30% может быть достаточным для возникновения деформации сдвига по всей контактной области сопрягаемых деталей.
Опасность задира увеличивается, когда между поверхностями происходит скольжение и качение, при этом влияние скольжения более значительно. При таких условиях могут возникнуть высокие мгновенные (локальные) температуры, так как во время контакта теплота не рассеивается, что может приводить к плавлению металла. Для этой формы разрушения характерны царапины, заканчивающиеся в области сплавления. Время контакта, необходимое для протекания процесса оценивается в 10 ~6с.
Скаффинг характерен для зубчатых зацеплений и пары «поверхность втулки - поршневые кольца ДВС». Различают две стадии этого процесса: рост коэффициента трения вследствие нарушения смазки, быстрый нагрев и разрушение поверхностного слоя, сопровождающееся интермолекулярным свариванием металла двух поверхностей.
Усталостный (питтинговый) износ, является следствием усталости поверхностного слоя или микрошероховатостей при относительном скольжении поверхностей. Для питтингового износа характерно макро- и микроязвенное разрушение поверхности.
Молекулярный износ характеризуется образованием локальных металлических соединений и отторжением образовавшихся частиц от трущихся поверхностей. Этот вид износа происходит при высоких давлениях и развивается с высокой скоростью.
Коррозионный износ происходит при наличии агрессивной (окислительной) среды. Разрушение окисной пленки, являющейся защитной для металла, приводит к обнажению "свежего" подслоя металла, который при наличии кислорода вновь окисляется. При циклических разрушениях окисной пленки процесс коррозионного износа идет непрерывно.
К видам износа следует отнести эрозионные разрушения материала СТС, такие как газовая, абразивная и кавитационная, механизм возникновения и протекания эрозионных разрушений рассмотрен в разделе эрозия.
Разрушение трущихся поверхностей.
Рельеф, химический состав и физическая структура трущихся поверхностей, условия, в которых они работают (температура, скорость, давление) влияют на трение и износ. Любая металлическая поверхность покрыта тонким слоем оксидной пленки толщиной в несколько ангстрем и состоящей, в основном, из химически абсорбированного кислорода, который в большинстве случаев поглощается из атмосферного воздуха. Пленка является защитой для основной поверхности, однако, будучи разрушенной на локальных участках она теряет защитные свойства, так как металлический контакт способствует активному взаимодействию поверхностей деталей, не только со смазочным маслом, но и с химически активными веществами. Наряду с этим, сопротивление некоторых твердых тел нагрузкам и деформациям снижается в присутствии поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера). Этот эффект связан с обратимой адсорбцией, снижающей сопротивление поверхностного слоя материала. Такие поверхности очень чувствительны к адсорбции поверхностно-активных веществ и значительно облегчают процесс деформации, иногда более эффективно разрушая материал, чем химическая реакция.
Исследования работы различных узлов трения позволяют установить характер изнашивания деталей и выделить три различимых фазы:
График зависимости износа подвижного соединения от времени его работы
I. Первый период, участок АВ - период приработки, характеризуется повышенным износом, при котором изменяется макро- и микроструктура поверхностей. Под прирабатываемостью понимается свойство материала увеличивать, посредством изнашивания, обработки или пластического деформирования поверхность прилегания деталей трущейся пары. В результате приработки увеличивается фактическая площадь касания трущихся деталей, уменьшается давление, снижается температура и создаются лучшие условия для смазки.
Повышенный износ трущихся деталей в период приработки можно объяснить явлением взаимного внедрения прижатых поверхностных слоев металла и зацеплением неровностей при грубой обработке. При движении прижатых поверхностей с участками внедрения, последние должны как бы "пропахать" или выработать себе проход в сопряженной детали. Образование таких проходов сопряжено с деформацией и интенсивным разрушением поверхностных слоев, что и определяет повышенный износ деталей в этот период. После взаимной приработки интенсивность изнашивания снижается и наступает второй период.
II. Второй период, участок ВС - период нормального изнашивания. Как правило, он имеет линейную зависимость изменения величины износа (зазора) от времени эксплуатации. Основными факторами, влияющими на величину износа в этой фазе, являются удельное давление и относительная скорость движения трущихся деталей. При абразивном износе, последний прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся поверхности и пути скольжения. Период нормального изнашивания является межремонтным периодом работы сопряжения. Знание межремонтного периода работы (tmax) позволяет рационально планировать ремонтно-восстановительные работы,
где: Smax - предельно допустимая величина зазора, мм;
SHa4 - начальная величина зазора приработанного соединения, мм;
tga - величина, характеризующая интенсивность изнашивания.
Обычно известны предельно допустимые величины зазоров (приведены в формулярах и инструкциях по эксплуатации, инструктивной и другой документации).
Значение tga определяется опытным путем (например, при заводских испытаниях технических средств в течение первых 500 часов).
Если t0 - число часов работы после приработки, а SQ - величина зазора соответствующий этому времени, то износ за время tQ характеризуется увеличением зазора,
Подставив tga в выражение, определяющее tmax, получим величину межремонтного периода.
III. Третий период, участок СД - период ускоренного изнашивания, является результатам количественных изменений в структуре поверхностей сопрягаемых деталей. По мере увеличения времени работы, на поверхностях трения происходит «накопление» последствий процессов изнашивания, в основном носящих усталостный характер, ухудшаются условия смазывающего действия масел, появляется динамическое нагружение. Дальнейший процесс изнашивания развивается катастрофически.
