Понятие о трении и его виды. Виды изнашивания поверхностей трения

 

4) Энергетическая теория предложена в 1952 г. Дубининым. Согласно этой теории природа трения и процессы, происходящие при нем, должны подчиняться не законам сил, а законам энергий и их превращения. Энергетическая теория трения и износа базируется на физико-химических явлениях, из которых следует, что процесс трения один, но эффекты, связанные с ним, могут быть различны и зависят от многих факторов.

    Качественно процесс трения характеризуется физико-химическими явлениями, а количественно – механическим эффектом ( коэффициентом и силой трения, а также износом поверхности).  

 

5) Гидродинамическая теория исследована учеными Петровым Н.А.(1883 г.), Жуковским Н.Е. (1886-1889 гг.), Чаплыгиным (1897-1896 гг.), Ренольдсом (1886 г.), Зоммерфельдом (1931 г.) и др.

Эта теория разработана на основе гидродинамической  теории смазки (Петров):

F = h *n * S / h ,

         где F – сила вязкого сдвига в нагруженной части подшипника, Н;  h - абсолютная вязкость масла, Па.с; n - относительная скорость перемещения трущихся поверхностей, м/с;  S – площадь поверхности скольжения, м²;  h – толщина масляного слоя, м.

 

Виды изнашивания поверхностей трения

Процесс трения всегда сопровождается износом, который постепенно приводит механическую систему в состояние непригодности. Многие детали машин и механизмов подвергаются интенсивному износу. Увеличение срока службы быстроизнашивающихся деталей различного назначения - важнейшая проблема современного машиностроения и других отраслей техники, в решении которой ведущую роль играют металлургия и литейное производство. Для классификации видов износа прежде всего необходимо рассмотреть понятия «износ», «износостойкость», «изнашивание» и «интенсивность изнашивания», которые приняты и используются в повседневной практике.

Износ - изменение размеров, формы, массы твердых тел или состояния их поверхностей вследствие либо остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок, либо разрушения поверхностного слоя при трении.

В соответствии с ГОСТ 27674-88 изнашивание классифицируется как процесс отделения материала с поверхности твердого тела и увеличения его остаточной деформации.

Износостойкость (износоустойчивость) - сопротивление материалов деталей машин и других трущихся частей износу. Износостойкость оценивается, например, уменьшением массы литой детали за время работы, ее линейных размеров или изменением объема детали.

Следует отметить, что изнашивание - это прежде всего процесс взаимодействия поверхностей, который сопровождается не только их микрорезанием, деформированием и нагреванием, но также и изменением механических свойств, структуры, фазового состава и химической активности поверхностных слоев.

В процессе длительного воздействия  на поверхность детали микро- и макроскопических абразивных частиц происходит износ, оцениваемый  по уменьшению размеров, объема, массы  деталей в абсолютных или относительных  единицах. Износ, отнесенный к пути трения, объему выполненной работы, работе трения и т.д., является показателем  интенсивности изнашивания.

Износ и интенсивность изнашивания  определяют и по другим косвенным  признакам. Чаще всего под износом  принято понимать постоянное срабатывание поверхности деталей в результате процесса трения. Износ, отнесенный к  промежутку времени процесса трения, определяет скорость изнашивания.

Практика эксплуатации машин и  другого оборудования показывает, что  большая его часть теряет работоспособность  не вследствие поломок, а в результате износа отдельных деталей. Высказано  мнение о необходимости исследования износа и сопутствующих процессов, реализующихся при трении, и показано, что взаимодействие поверхностей при  трении проявляется в формировании дискретных контактов - пятен, в котором  участвуют выступы и покрывающие их пленки, а также прилегающие к этим выступам соседние участки материала. Считается, что силы, приложенные к разным участкам пятен контакта, образующихся при относительном движении сопряженных поверхностей, неодинаковы, а температура материалов, даже в пределах площади контактов, различна. Это приводит к различной реакции локальных микрообъемов мате-риалов при износе трением.

Принят ряд классификаций по видам износа при трении, построенных  в основном на базе внешних условий  и признаков процесса. Различают  также четыре главные формы износа и несколько второстепенных (сопутствующих) процессов, которые часто классифицируются как самостоятельные виды износа.

К главным видам износа можно отнести следующие виды.

1. Адгезионный износ возникает в условиях трения, когда два гладких тела скользят друг по другу и частицы материала, вырванные с одной поверхности, прилипают к другой. Этот вид износа имеет место, когда атомы контактирующих поверхностей входят в близкий контакт. На площадях контакта при скольжении поверхностей всегда существует вероятность того, что из-за адгезионных сил разрушение этого контакта происходит не по первоначальной поверхности раздела одного материала, а внутри него.
2. Абразивный износ возникает в условиях трения, когда более твердые шероховатые поверхности скользят по более мягким, царапают или пропахивают ее, образуя свободные частицы. Абразивный износ может возникнуть и тогда, когда твердые частицы попадают между поверхностями фрикционной связи и изнашивают их.
3. Коррозионный износ имеет место, когда контакт поверхностей происходит в коррозионных средах. В процессе скольжения образующиеся на поверхности пленки разрушаются и коррозионное воздействие распространяется вглубь материалов.
4. Поверхностная усталость наблюдается во время многократного скольжения или качения по одним и тем же поверхностям с непрерывно повторяющимися циклами нагружения и разгрузки. По ГОСТ 27674-88 различают механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное изнашивание, а изнашивание деталей машин и механизмов принято классифицировать по причинам, в соответствии с которыми различают механическое, коррозионно-механическое, абразивное, гидроабразивное, газообразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, окислительное, электроэрозионное изнашивание и фреттинг-коррозию. К основным явлениям и процессам при трении и изнашивании относятся: схватывание, перенос материалов, задирание, выкрашивание и отслаивание. Различают схватывание 1-го рода (холодный задир) и 2-го рода (горячий задир).

Рассмотрим  подробнее некоторые виды изнашивания.

Абразивное изнашивание

Абразивное изнашивание — наиболее распространенный вид изнашивания деталей сельскохозяйственной техники, вызываемый воздействием на них абразивных (твердых) частиц. Последние содержатся в почве и при контакте с поверхностью рабочих органов почвообрабатывающих, посевных и землеройных машин приводят к абразивному износу.

Твердые (абразивные) частицы могут образовываться и в самой машине в виде закаленных частиц металла — продуктов износа соединенных пар трения.

Интенсивность абразивного изнашивания особенно велика у машин, эксплуатируемых  в условиях запыленного воздуха, при недостаточной герметичности уплотнений. Так, двигатель с неисправным воздухоочистителем через несколько часов теряет компрессию и выходит из строя в результате форсированного износа поршневых колец и зеркала цилиндров. Накопление пыли в смазочном материале до 0,25 % по массе приводит к отказу подшипников качения за 1000 мото-ч при нормативной долговечности, в 10 раз большей.

Абразивное  изнашивание длительное время связывали  лишь с режущим действием абразивных частиц. С этим представлением связан и сам термин «абразивный», происходящий от латинского слова «abrasio» — соскабливание.

При таком  подходе процесс изнашивания  соединения вал—подшипник можно представить в виде схемы, показанной на рисунке .

 

Рисунок 3. Схема  абразивного изнашивания соединения вал-подшипник: А – мягкая поверхность, В – твердая поверхность, 1 и 2 – абразивные частицы.

 

 

Рисунок 4. Схема образования масляного клина в условиях гидродинамического смазывания узла вал – подшипник: а – вал в нерабочем состоянии; б – действие гидродинамических сил.

 

Абразивные  частицы по-разному ведут себя в зависимости от твердости поверхностей соединенных деталей. Когда одна из трущихся поверхностей (А) изготовлена из мягкого материала,  абразивные  частицы  поглощаются этой поверхностью, что при малой концентрации абразивных частиц в смазочном материале предохраняет твердую поверхность (В) от износа. С течением времени мягкая поверхность насыщается абразивными частицами и превращается в своеобразный абразивный инструмент, который царапает соединенный вал.

Если  обе соединенные поверхности (В) имеют значительную твердость, то абразивные частицы 2, попадая в зазор между ними, или царапают их, или разрушаются, не повреждая ни ту ни другую. Все зависит от соотношения твердостей соединенных поверхностей и абразива.

Степень агрессивности абразивных частиц по отношению к изнашиваемым поверхностям оценивают коэффициентом твердости

Кт = Н / На ,

где Н— микротвердость материала детали;

На — микротвердость абразива.

Профессором М. М. Тененбаумом установлено критическое значение коэффициента твердости Кт _кр ⁼ 0,5...0,7.

При Кт < 0,5 происходит интенсивное абразивное изнашивание, при Кт > 0,7 сопротивление материала абразивному изнашиванию резко возрастает.

Дальнейшие  исследования показали, что твердость  не может однозначно характеризовать сопротивление материала абразивному изнашиванию. Здесь оказывают влияние прочностные и некоторые другие свойства материала. Особенно интересными оказались деформационные свойства материалов.

Деформационными свойствами объясняется неожиданное поведение сравнительно мягких, пластичных материалов в условиях абразивного изнашивания. В отличие от ранее высказанного утверждения о решающем значении поверхностной твердости в снижении интенсивности абразивного изнашивания мягкие полимеры вполне удовлетворительно сопротивляются воздействию абразивных частиц.

Деформационные  свойства проявляются в том, что  напряжения на контактах абразивных частиц с пластмассами оказываются  значительно меньшими по сравнению с напряжениями на контактах тех же частиц с металлами. Это приводит к тому, что для разрушения пластмассовой поверхности требуются значительно большие усилия, чем для разрушения металла.

Окислительное изнашивание (коррозия)

Рассмотрим сущность электрохимической  коррозии. Основная причина, вызывающая коррозионное разрушение металлов,  протекание на их поверхностях реакций  взаимодействия металла с окружающей средой. Если последняя способна проводить электрический ток, то коррозию называют электрохимической.

Электрохимическая коррозия сопровождается упорядоченным движением ионов, т. е. появлением электрического тока.

Силу коррозионного  тока определяют по закону Ома:

Iкор = ( Ек – Еа ) / R,

где Ек и Ец — электродные потенциалы катода и анода;

R — омическое сопротивление системы.

Электродные потенциалы обычно находят  по отношению к водородному электроду сравнения, потенциал которого принимают равным нулю. Для примера можно привести несколько значений электродных   потенциалов:   Е аллюминия = -1,67 В;    Е железа = -0,44 В; Е меди = +0,34В.

В соответствии с законом Ома появление тока коррозии (а с ним связан процесс  электрохимической коррозии) имеет  место при наличии разности потенциала (Ек - Еа > 0) и электропроводящей среды (R < µ). Другими словами, электрохимическая коррозия имеет место при наличии в системе неоднородных металлов (катода и анода) и окружающей среды в виде электролита. При этом образуется гальваническая пара, в которой один из металлов (анод) претерпевает разрушение.

На практике сплошь и рядом наблюдается  коррозия однородных металлов. Коррозия последних происходит потому, что  абсолютно однородные металлы в  технике практически не существуют, так как они содержат включения  графита, карбидов и др. Последние  в сочетании с основным металлом образуют систему микрогальванических элементов, которые при наличии токопроводящей среды (электролита) приводят к электрохимической коррозии. Электролит образуется в результате конденсации влаги на поверхности металла и атмосферных газов (СО₂, S0₃ и др.) в пленке воды.  

 

Примеры и механизм образования основных видов изнашивания показан в  нижеприведенной таблице.

 

 

 Таблица 1. Причины и механизм образования различных видов изнашивания

Вид изнашивания	Причина и механизм образования	Примеры
Абразивное	Механическое изнашивание материала  в результате режущего или царапающего действия на него твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Износ происходит в результате микрорезания (Тметалла << Табразива) или упруго-пластического деформирования (Тм << 0,6 Та)	Лемех плуга
Гидро(газо)абра-зивное	Абразивное изнашивание в результате действия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно изнашиваемого тела	Плунжерные пары, выпускные клапаны
Гидро(газо)эро-чионное	Механическое изнашивание в результате воздействия потока жидкости и (или) газа.	Насосы
Кавитационное	Гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры	Турбины
Усталостное	Механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном  деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя (наклеп, трещина, отслоение).	Подшипники
При фреттинге	Механическое изнашивание соприкасающихся  тел при малых колебательных  относительных перемещениях (0,025 мм, 30 Гц)	Шлицы, шпоночные пазы, посадочные поверхности
При заедании (адгезионное)	Изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность	Втулка колеса плуга
Окислительное	Коррозионно-механическое изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой	Шарнирно-болтовые соединения
Водородное	Повреждение поверхностей при трении в результате выделения водорода из окружающей среды или из компонентов пар трения и его накопления в тонком поверхностном слое	Тормозные колодки, барабаны, диски
При фреттинг- коррозии	Коррозионно-механическое изнашивание  соприкасающихся тел при малых  колебательных относительных перемещениях	Пружины, вкладыши
Электроэрозионное	Эрозионное изнашивание поверхности  в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока	Контакты прерывателей