Махкамов К.Х. Расчет износостойкости машин: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Таким образом, эти методы подлежат дальнейшему

исследованию и, по-видимому, будет целесообразном их

использовать в качестве вспомогательных при создании более

универсальной методики расчёта узлов трения на износ.

Метод расчёта износа под действием абразива.

Традиционные методы предсказания поведения элементов

трения, основанные на эмпирических зависимостях, пригодны для

достаточно подробно изученных конструкций машин. Аналитические

зависимости, полученные на основе анализа природы протекающих

в узле трения процессов в этом плане более универсальны. Ещё в

60-ом году М.М.Хрущов [63] отметил, что детали машин не

рассчитываются на изнашивание, хотя для некоторых деталей и

условий работы такие расчёты, надо полагать, возможны. Во

многих отраслях машиностроения такое положение сохраняется

до сих пор.

В работе [16] предлагается методика расчёта износа

поверхностей в условиях абразивного изнашивания. Хотя метод

разработан достаточно подробно, он пригоден только при наличии

абразива. Там, где отсутствуют абразивные частицы, метод

неприемлем. Рассматриваемый метод может быть использован в

качестве одного из звеньев более универсальной методики

расчёта.

Метод расчёта износа подвижных сопряжений.

А.С. Проников [45] различает износ поверхности и износ

сопряжения. Он отмечает, что при трении двух сопряженных

поверхностей обе поверхности изнашиваются одновременно. Это

приводит к изменению взаимного расположения деталей. А.С.

Проников разработал методы расчёта на износ подвижных

сопряжений, учитывающие перераспределение давления в

контакте вследствие износа.

Методика расчёта износа, использованная в работе [45], может

вызвать некоторую настороженность, так как практические

расчёты ведутся с использованием эмпирической зависимости

износа от режимов работы, в частности от давления и скорости

скольжения. Все остальные факторы, которые могут повлиять на

износ, сведены под один коэффициент износостойкости.

А.С. Проников указывает, что в зависимости от конфигурации

контактируемых деталей, износ в разных точках соприкасающихся

поверхностей будет неодинаковым. Следует сразу сказать, что

метод, предложенный А.С. Прониковым, даёт возможность, в

отличие от других способов, определить эпюру износа.

Применение метода статистического моделирования (метод

Монте-Карло) совместно с рассматриваемым способом делает

его весьма мощным и универсальным. Определенный интерес в

этом плане представляет также работа [5], основывающаяся на

возможности современных ЭВМ, но имеющая такой же недостаток,

что и работа [45].

Нам представляется, что замена эмпирического уравнения в

методике расчёта А.С. Проникова на уравнения, вытекающие из

физической природы изнашивания, может стать обобщением всех

существующих методик, описанных выше.

Метод расчёта износа, основанный на изменении энергии.

В процессе трения происходит превращение механического

движения в качественно отличные формы движения - в теплоту, в

электричество.

Рассматривая существующие теории трения, выдвинутые

различными авторами, А.Д.Дубинин отмечает, что изложенные

теории не рассматривают трение как энергетический процесс и в

связи с этим не охватывают всю совокупность явлений,

возникающих в процессе трения, которые, в конечном итоге,

объясняют и определяют износостойкость трущихся поверхностей

[10].

В.В.Федоров и С.В.Хачатурьян [58] для оценки относительной

износостойкости материалов в условиях абразивного изнашивания

предлагают использовать теплофизические свойства материалов

, (1.8)

где k - коэффициент; U - критическая плотность внутренней энергии

(энергоёмкость) материала; f - коэффициент трения; δ -

относительная величина скрытой энергии; ω - плотность работы

трения.

Наиболее универсальным и обобщающим критерием всех

процессов, происходящих в зоне трения, является энергия трения.

Метод расчёта Г.Фляйшера [60] по сути дела - первая попытка

перевести на энергетическую основу известную методику

расчета И.В.Крагельского. Достоинства в методе расчёта

Г.Фляйшера состоит в том, что здесь имеется возможность

обобщить все предыдущие методы расчёта.

1.2. Пути совершенствования методов расчета износа.

Вышеприведенный обзор показывает, что рядом авторов

выдвинуты интересные, оригинальные и вполне приемлемые

идеи, на базе которых можно построить достаточно достоверные

методы расчета на износ. Одновременно следует отметить, что ни

один из существующих методов не дает законченного решения

задачи расчёта на износ с обоснованной точностью. Так как

важнейшей задачей является построение практической рабочей

методики таких расчётов, то ясно, что здесь нельзя ограничиться

показом принципиальной возможности того или иного метода.

Мы полагаем, что при анализе и обобщении рассмотренных

методов с целью их практического внедрения необходимо:

1. Дать полное, физически четкое и ясное толкование

предлагаемых разными авторами методов расчёта на износ.

2. Дополнить существующие методы необходимыми данными

для расчёта и устранить имеющиеся неясности.

3. Широко использовать для расчётов ЭВМ, составив для этого

необходимые программы.

4. Разработать рабочие инструкции по расчетам, предусмотрев

в них формы задания исходных данных и форму получения

результатов.

По видимому, в первую очередь, необходимо пересмотреть, с

точки зрения энергетических позиций, все изложенные методы

расчёта на износ и усовершенствовать полученный метод путем

включения в него положительных моментов предыдущих методов.

Основным этапом, определяющим износостойкость машин в

эксплуатации, является выбор материалов на стадии

конструирования. В настоящее время выбор материалов для узлов

трения и конструкций машин осуществляется в основном на

основании расчётов на прочность. Триботехнические параметры

будущего узла трения в подавляющем большинстве случаев

выбирается на основании имеющегося опыта и результатов

эксплуатации, а также интуиции конструктора. Имеющиеся в

арсенале конструкторов некоторые расчетные зависимости на

износ, как показано выше, носят эмпирический характер и не

учитывают действительную природу изнашивания поверхностей

трения.

На стадии проектирования машин и механизмов

целесообразным представляется выполнить их оценку ресурса

на основе прогнозирования износостойкости. Выбор и обоснование

материалов, разработку требований к технологии следует

выполнять не только расчетами на прочность, но и с учетом

расчётов на износ. Введение триботехнических расчётов в практику

конструирования машин позволяет повысить показатели

надежности, принесет несомненную пользу народному хозяйству,

сокращает обширную программу исследований по доводке новых и

усовершенствованию уже созданных конструкций машин.

Изучение производственного опыта передовых конструкторских

и машиностроительных организаций показало, что:

1. Период воплощения идеи конструктора от чертежной доски

до реальной машины, поставленной в серийное производство,

очень большой. Сократить этот период возможно путем перевода

части экспериментальных работ по испытанию и доводке на

расчёты с использованием компьютеров.

2. Существующие методы оценки износа машин в

большинстве случаев не нашли практического применения

потому, что они либо справедливы лишь в узком диапазоне

внешних условий, либо требуют проведения трудоемких испытаний

по определению значений коэффициентов, входящих в расчетные

формулы.

3. Существующие методы оценки износа узлов трения не

полно учитывают закономерности различных физических и физико-

механических явлений процесса трения и изнашивания.

Существующие методы расчёта на износ пригодны только для

заданных видов изнашивания, появление которых заранее не-

предсказуемо.

4. Наиболее перспективным из рассмотренных подходов

создания метода расчета износа является энергетический подход.

Однако существующие методы расчёта на износ, основанные на

энергетических представлениях развиты слабо и в практике почти

не применяются.

Как вытекает из анализа литературных источников,

существующие методы расчёта узлов трения на износ не всегда

полно отражают условия и процесс изнашивания в реальных

конструкциях. Ни одна из существующих теорий и методов

расчёта на износ не в состоянии описать одновременно все виды

изнашивания, что ещё раз подтверждает сложность и

недостаточную изученность процесса изнашивания поверхностей

трения.

1.3. Влияние факторов процесса трения на

энергетическое состояние поверхностных слоев.

Процессы, протекающие в узлах трения и

факторы, влияющие на износостойкость.

Наиболее часто машины выходят из строя по причине

абразивного изнашивания. По М.М.Хрущову и М.А.Бабичеву износ

происходит путем удалении материала с изнашиваемой

поверхности либо в виде очень тонкой стружки, либо фрагментов

предварительно разрушенного материала, выдавленного

предварительно по сторонам пластически деформированной

царапины, либо в виде дисперсных частичек, хрупко

отделяющихся при однократном или многократном воздействии.

Абразивные частицы могут быть минерального происхождения,

являться продуктами окисления металла, а также наклепанными

металлическими частицами изнашивания или твердыми

структурными составляющими одного из сопряженных материалов.

Они могут быть различной формы или различно ориентированы

гранями или ребрами относительно изнашиваемой поверхности.

Резать и снимать стружку могут не все из них, часть из них

пластически деформирует материал в зависимости от

соотношения твердостей абразива и материала [63].

Абразивное изнашивание это гамма всевозможных контактов

абразивной частицы с поверхностью материала в диапазоне от

простейшего упругого оттеснения до грубого резания.

Многократное упругое или пластическое оттеснение приводит к

усталостному отслоению слоев металла или отделению их

абразивными частицами. Срез происходит при однократном

воздействии частицы на материал [32].

М.М.Тененбаум [54] указывает, что при внедрении абразивных

частиц в поверхность, они разрушаются. Процесс раздробления

частицы по характеру мгновенно прилагаемой энергии подобен

взрыву. Следовательно, при любом виде абразивного

изнашивания материал всегда взаимодействует с абразивом с

некоторой степенью динамичности.

И.В.Крагельский, Г.Я.Ямпольский [55] аналитическим путем

показали, что условия микрорезания при изнашивании не

соблюдаются как при сферической модели, так и при модели трех

радиусов абразивной частицы. Абразивные частицы кварца, при

условном пределе прочности 100...700 МПа, разрушатся раньше,

чем достигнут глубины внедрения, достаточной для перехода от

пластического оттеснения к микрорезанию равной h/R >0,3.

Главной причиной абразивного изнашивания является

многократное пластическое деформирование одних и тех же

микрообъемов металла, которое вызывает их усталостное

разрушение и отделение частиц металла от поверхностного слоя

[30].

Б.И.Костецкий [43] выделяет две четко выраженные формы

проявления абразивных процессов, отличающихся характером

взаимодействия частиц с поверхностью металла: a) с

преобладанием механохимического разрушения (пластическое

деформирование поверхностных объемов, их окисление и

последующее разрушение образующихся плёнок); б) с

преобладанием механического разрушения металла поверхностных

слоев (внедрение абразивных частиц, разрушение поверхностных

объемов металла без отделения частиц основного металла или со

снятием микростружки).

Исследования [63] показывают, что для чистых металлов и

отожженных сплавов с однотипной структурой справедлива

прямая пропорция между твердостью и износостойкостью. Для

легированных сплавов с нестабильной структурой проявляются

отклонения от такой зависимости. Имеется тенденция увеличения

износостойкости с ростом твердости.

Величина износа в большой степени зависит от давления

абразива на изнашиваемую поверхность. С увеличением нагрузки

износ возрастает. Объясняется это тем, что с повышением нагрузки

глубина внедрения активных абразивных частиц, оставляющих

царапине на поверхности трения и число контактирующих с этой

поверхностью частиц увеличивается.

В.Е. Маев [35] считает, что с уменьшением размеров

абразивных частиц износ трущихся пар уменьшается, а для частиц

размером 1 мкм приближается к безабразивному.

Царапание по схеме К.Веллингера и Г.Уэтца [74] обязательно

связано с погружением индентора (абразивной частицы) на глубину

большую, чем толщина вторичных структур. Если абразивная

частица не в состоянии проколоть вторичные структуры, то

царапания не наблюдается, а происходит непрерывное разрушение

вторичных структур.

Ряд исследований показали, что износостойкость сплавов

определяется не только твердостью, но и структурой. Однако

структура при абразивном изнашивании является менее

чувствительным критерием оценки износостойкости, чем их

твердость.

Первые сведения о связи сопротивляемости материалов

изнашиванию и микротвердостью структурных составляющих

можем найти в работах П.Н.Львова. В условиях абразивного

изнашивания феррит имеет наиболее низкую сопротивляемость по

сравнению с другими структурными компонентами, так как

кристаллическое строение феррита легко может образовать

зародышевых трещин при слиянии линейных дислокаций с

образованием полости [8].

М.М. Тененбаум [54] отмечает, что чем выше сопротивление

материала отрыву или срезу, тем больше оснований ожидать

повышенное сопротивление усталостному и

полидеформационному процессам разрушения, хотя последние

более чувствительны к структурному состоянию материала и к

разупрочняющему действию среды.

В связи с тем, что при абразивном изнашивании происходит

отрыв или срез материала, большое значение имеет внутренняя

связь между атомами решетки металлов. Очевидно, чем сильнее

такая межатомная связь, тем прочнее всё металлическое тело.

Однако, не одни только силы межатомного взаимодействия

определяют прочность. Большое значение имеет структурный

фактор металлов, строение кристаллической решетки зерна,

взаиморасположение фаз примесей, строение границ и т.п.

Как известно, процессы трения и изнашивания сопровождаются

сложными явлениями, протекающими в тончайших поверхностных

слоях материалов. Показатели свойств поверхностных слоев могут

изменяться в зависимости от параметров деформации,

температуры, явлений адсорбции, диффузии, механического и

фазового упрочнения, разупрочнения.

Износостойкость деталей машин зависит как от первичных

характеристик качества поверхностей, формируемых

технологической обработкой, так и от вторичных явлений

изменения геометрии и свойств рабочих поверхностей,

возникающих и развивающихся непосредственно при трении.

Поэтому, при технологической обработке нужно создать такую

геометрию и такие первичные структуры и свойства поверхностных

слоев, которые в конкретных условиях эксплуатации изменялись

бы в сторону улучшения.

Важная роль окисных пленок состоит в защите от схватывания,

неизбежного при контакте ювенильных поверхностей. Однако от

износа окисные пленки не только защищают, но могут являться

фактором, обуславливающим возникновение и развитие износа.

Это объясняется тем, что окислы большинства металлов

отличаются высокой твердостью, в связи с чем в большинстве

случаев отделившиеся от поверхности трения частицы окислов,

обладающие абразивным действием, могут стимулировать износ. В

условиях наличия абразивной среды, окисление и разрушение

поверхностей интенсифицируется вследствие большой

концентрации напряжений в локальных объемах металла.

В.Н. Ткачев установил, что абразивное изнашивание

происходит за счет истирания окисной пленки на рабочей

поверхности детали. Он считает, что крупные карбидные

включения, соразмерные с абразивами, но имеющие более

высокую твердость, разрушаются за счет коррозионно-механических

процессов. По Б.И. Костецкому [43] разрушение поверхностного

слоя абразивными частицами осуществляется при условии, когда

скорость разрушения вторичных структур, возникающих при трении,

превышает скорость их образования.

Существенное влияние на интенсивность изнашивания

оказывает характер шероховатости поверхности деталей,

особенно в период приработки. Поэтому большое значение имеет

выбор наиболее оптимальной шероховатости поверхности деталей,

соответствующей наименьшему износу трущейся пары. Если

оптимальную, для данных условий трения, высоту неровностей

поверхности удается создать в процессе изготовления деталей, то

в процессе изнашивания она не изменяется, а время приработки и

износ оказываются наименьшими. В результате приработки для

каждого режима трения устанавливается оптимальная

(равновесная) шероховатость. Поэтому важно создавать

поверхности, шероховатость которых по возможности было бы

близко приработанным поверхностям трения для конкретных

условий изнашивания.

Характеристики качества поверхности, образованной при

технологической обработке, и поверхности, формирующейся в

процессе эксплуатации, принципиально различны. Они различны

по геометрии, микрогеометрии и субмикрогеометрии, а также по

свойствам поверхностных слоев и их напряженному состоянию. В

начале работы сопряжения происходит трансформация исходного

состояния и переход к рабочему. Этот период принято называть

приработкой.

Процесс изнашивания узлов трения зависит от множества

внешних и внутренних факторов. Вопросы проектирования

оптимальных конструкций узлов трения должны решаться путем

исследования рациональных интервалов варьирования как

внешних, так и внутренних факторов. Прежде всего

представляется необходимым изучить соотношения между физико-

механическими свойствами и износостойкостью материалов.

Факторы, влияющие на износостойкость, условно разделим на

внешние и внутренние. К внешним факторам отнесены: нагрузка,

скорость перемещения, температура, химическая активность и

агрессивность окружающей среды и т.п. Обобщенным

показателем внешних факторов является количество энергии,

подводимой за единицу времени к узлу трения. К внутренним

факторам отнесены: исходная шероховатость поверхности,

твердость и микротвердость, структура материала, модуль

упругости, теплопроводность, сопротивление срезу, предел

текучести и т.п. Обобщенным показателем внутренних факторов

является количество энергии, поглощаемой материалами узла

трения.

Для снижения влияния внешних факторов на износостойкость

элементов конструкции проводят оптимизацию геометрических

размеров и формы контактирующих поверхностей. Влияние

внутренних факторов на износостойкость можно изменить путем

подбора и оптимизации свойств материалов.

Специфика работы поверхностного слоя материалов при

изнашивании обусловлена неравномерным распределением

нагрузки по рабочей поверхности и её сосредоточенностью в

местах фрикционного контакта.

В процессе работы детали отделение частиц износа в

поверхностном слое может сопровождаться с деформациями и

локальными выделениями большого количества тепла. Местный

нагрев в зоне разрушения вызывает структурные превращения,

подобные превращениям при отпуске стали, которые приводят к

изменению исходных свойств. Поэтому величина твердости

материала служит оценкой сопротивления металла пластическим

деформациям, но не разрушению. Согласно энергетическим

концепциям разрушение происходит при достижении плотности

скрытой энергии материала некоторой критической величины.

Зависимость между модулем упругости и износостойкостью

материалов экспериментально не обнаружена. (Исключение

составляет абразивный вид изнашивания, сопровождающееся

снятием микростружки с поверхности трения). Модуль упругости

практически остается постоянным при изменении структуры

материалов, в то же время износостойкость значительно

изменяется.

Существует гипотеза, что чем выше прочность металла, тем

выше износостойкость. Однако, экспериментально

подтвержденные зависимости между износостойкостью и

механическими свойствами сталей ( σ

, τ

ср

, σ

сж

, а

) отсутствуют.

Некоторые попытки исследователей, например, М.М.Хрущова

и М.А.Бабичева, установить зависимость износостойкости от

других физических характеристик металла, в частности от

энтальпии, температуры плавления, энергии активации

самодиффузии не получили распространение потому, что эти

зависимости получены эмпирическим путем и не базировались на

глубокие теоретические работы, объясняющие физические основы

протекающих процессов.

Очевидно, что при разрушении совершается работа против

внутриатомных и внутримолекулярных сил, которые в твердом теле

удерживают частицы вместе. Вероятно, величина износа (объем

металла, удаленного при изнашивании) должна быть обратно

пропорциональна такой сумме сил. Энергия деформации

материала определяется максимальным числом связей, которые

вступают в действие, и, следовательно, энергией, поглощенной

единицей объема материала вплоть до разрушения. Площадь

диаграммы напряжение - деформация есть мера суммарной

энергии, которая требуется для разрушения материала.

Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала

равна величине новых поверхностей, образующихся при

разрушении, и энергии, аккумулируемой в металле при

взаимодействии поверхностей трения в виде скрытой энергии

деформации.

В процессе изнашивания аккумулирование энергии упругой

деформации предельной величины приводит к нарушению

сплошности, т.е. отделению одной части кристаллической решетки

от другой.

При этом происходит разрыв межатомных связей и

образование новых поверхностей. Эти явления требуют для своего

осуществления определенных затрат энергии и могут совершаться

лишь в том случае, если металл обладает необходимым её

запасом. Запас энергии увеличивается за счет энергии трения.

В общем виде энергия трения определяется

E = N f v t , (1.9)

где v - скорость скольжения; t - время; N - нормальная нагрузка; f -

коэффициент трения.

Таким образом, для расчета трения и износа деталей машин

необходимо знать энергоёмкость материала, коэффициент трения,

определить тепловое сопротивление материала.

Трение и изнашивание являются сложными процессами

взаимодействия трущихся поверхностей смазочного материала и

окружающей среды, на которые значительное влияние оказывают

механические, физические и химические явления, а также

сопутствующие им акустические, электрические, электромагнитные

и некоторые другие явления.

Обзор исследований показал, что наибольшее развитие в

последние годы получила молекулярно-механическая теория

трения и износа. Появление чрезвычайно большого количества

новых антифрикционных материалов, успехи в области изучения

физико-химической механики материалов, создание новых машин и

механизмов, предназначенных для работы в экстремальных

условиях (высокие температуры и агрессивные среды) выявили ряд

задач, решение которых затруднено с помощью молекулярно-

механической теории трения и износа. Особенно заметны эти

трудности при выборе материалов для узлов трения.

А.Д. Дубинин [10] пишет, что "...теории, рассматривая процесс

трения только с чисто механической точки зрения, тем самым, по

сути, изучают статику этого вопроса... Механические теории трения

и износа приводят к ограниченному и неточному представлению

процесса износа поверхности трущихся пар и созданию различных

искусственных теорий и классификаций износа".

Преимущественное выделение какого-либо фактора,

влияющего на износ, привело к созданию различных классификаций

изнашивания. Так, например: тепловой износ, окислительный износ,

усталостный износ, абразивный износ и т.п. Такое разделение нам

кажется условным, поскольку в действительности во всех случаях

эти физические явления объясняются единой природой

изнашивания и энергетическими представлениями.

Существующие подходы создания методики расчёта на износ

учитывают особенности и условия развития одного из видов

изнашивания. Представляется, что каждый вид износа

проявляется в строго определенных условиях и изменение этого