Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

161

Проблема защиты от коррозии свинцовых, медно-свинцовых и кад-

миевых сплавов была решена при использовании антикоррозионных при-

садок маслу.

Эти присадки представляют собой органические вещества, содержащие

фосфор. Пассивация поверхности подшипника происходит в результате

образования на ней защитной пленки, ближайшие к металлу слои которой

связаны с ним химически, а последующие слои удерживаются силами фи-

зической адсорбции. Пленка срабатывается и восстанавливается.

Центробежные насосы перекачивают морскую, речную или из сква-

жин воду с различным содержанием солей и взвешенных частиц. В ходе

технологического процесса на предприятиях пищевой, химической и дру-

гих отраслей промышленности насосы перекачивают, как кислую, так и

щелочную воду. Для защиты от коррозии валы центробежных водяных

насосов облицовывают рубашками (защитными втулками) из бронзы, ста-

ли или чугуна, работающими в паре трения с сальниковой набивкой. Если

материал защитных втулок не способен образовать прочные пленки, то

изнашивание будет корозионно-механическим, а интенсивность его при

прочих равных условиях зависит от агрессивности перекачиваемых вод.

4.17 Связь сопротивления усталости деталей с

трением и изнашиванием

Многие детали, которые должны удовлетворять условиям общей

прочности при переменных напряжениях, подвергаются в эксплуатации

воздействию сил трения. Это валы, оси и шпиндели, у которых шейки

работают в паре с подшипниками скольжения или контактируют непо-

средственно с роликами в случае монтажа на роликоподшипниках без

внутреннего кольца; поршневые пальцы; пальцы прицепных шатунов;

шаровые пальцы; элементы цилиндрических и конических соединений;

листовые рессоры и другие детали. Зубья колес и рельсы работают при

циклических напряжениях изгиба и трения качения со скольжением. По-

скольку усталостное разрушение деталей начинается с поверхности или с

приповерхностного слоя, то изменение геометрии, химического состава,

структуры, системы собственных напряжений в поверхностях трения по

сравнению с исходным состоянием не может не сказаться на сопротивле-

нии усталости деталей.

Влияние шероховатости поверхности

Очевидно уменьшение шероховатости и упрочнение поверхности в

процессе приработки повышает сопротивление усталости деталей. Если

шероховатость поверхности во время приработки ухудшается, поверхно-

стный слой разупрочняется, в нем появляются остаточные растягивающие

162

напряжения или убывают по абсолютной величине исходные напряжения

сжатия, то сопротивление усталости деталей уменьшается. Влияние изно-

са на прочность при повторно-переменных нагрузках может, таким обра-

зом, быть как отрицательным, так и положительным. Это подтверждено

многочисленными исследованиями учѐных на ряде режимов трения

скольжения.

Если изнашивание протекает в виде диспергирования, то оно не соз-

дает условий для снижения сопротивления усталости. Абразивное изна-

шивание может увеличить шероховатость поверхности. Независимо от

того, какой вид изнашивания является ведущим, царапины (в особенности

одиночные), нанесенные абразивными частицами, представляют опас-

ность как сильные концентраторы напряжений, причем тем большую, чем

прочнее сталь. Однако достаточно иметь представление о действии кон-

центраторов напряжений, чтобы схватывание при наличии глубинного

вырывания отнести к неблагоприятным для циклической прочности фак-

торам. Изнашивание, приводящее к уменьшению линейных размеров с

образованием уступов, создает значительный геометрический концентра-

тор напряжений. Такой случай может быть, например, в зубьях колес,

сферических цапфах и цапфах валов и осей.

Влияние вырывов при схватывании

Следы глубинного вырывания поверхностей трения служат очагами

разрушения как концентраторы и, по-видимому, как места надрывов ма-

териала. Налипший материал тоже является концентратором. При испы-

таниях на круговой изгиб образцов из нормализованной стали 45 с очага-

ми схватывания, образовавшимися на пути трения 94,9 м при скорости

скольжения 0,314 м/с и давлении 0,9 МПа, обнаружено снижение значе-

ния

-1

в воздухе на 8% и в масле МС-20 на 11%.

Установлено резкое снижение долговечности при круговом изгибе и

напряжениях выше предела выносливости образцов с очагами схватыва-

ния различных материалов.

Долговечность, измеряемая числом циклов до разрушения, может

быть в десятки раз ниже долговечности образцов с неповрежденными

схватыванием поверхностями. Закаленные стали с низким отпуском, имея

метастабильную структуру, претерпевают на участках схватывания, где

возникают значительные температуры, глубокие структурные изменения:

образуются структуры высокого отпуска и переходные к исходной, растет

зерно. Появление или существенное усугубление структурной неоднород-

ности сильно снижает прочность.

Удаление следов схватывания путем зачистки и полирования восста-

навливает исходную долговечность только для сталей стабильных струк-

тур, для сталей же метастабильных структур, как показал Д.А. Драйгор,

долговечность остается резко пониженной по сравнению с начальной.

163

Вырывы материала, налипание и структурные преобразования, обра-

зующие геометрические и структурные концентраторы напряжения, –

таковы общие причины падения циклической прочности при изнашива-

нии вследствие заедания. К ним следует добавить значительные напряже-

ния, вызванные местными тепловыми импульсами. Отличительной осо-

бенностью механизма усталостного разрушения сталей при наличии оча-

гов схватывания является, как и следовало ожидать, зарождение и разви-

тие усталостных трещин на нескольких участках поверхности образца.

На рисунке 4.11.показана закаленная с нагревом ТВЧ шейка разру-

шенного от усталости коленчатого вала тракторного двигателя, работав-

шая в паре с вкладышем, залитым свинцовой бронзой.

Рисунок 4.11 – Усталостное разрушение шейки коленчатого вала тракторного двигателя

Такие же повреждения характерны и для других вышедших из строя

коленчатых валов этого двигателя. Вырывы металла с поверхности шейки

и налипание бронзы наблюдаются в местах контакта с вкладышем, при-

мыкающим к его кромкам. Трещины ориентируются почти вдоль обра-

зующих. Выявлена большая неоднородность структуры и твердости зака-

ленного слоя на участках схватывания.

Влияние эффекта Ребиндера

Предел выносливости деталей, работающих в поверхностно-активной

среде, уменьшается в соответствии с эффектом Ребиндера. Иначе обстоит

дело при воздействии сил трения скольжения или качения, которые в при-

сутствии поверхностно-активного смазочного материала обусловливают

большую степень и глубину наклепа поверхностного слоя, чем при дейст-

вии на поверхность тех же нормальных сил, но в неактивной среде. Уп-

164

рочнение поверхности и остаточные напряжения сжатия повышают пре-

дел выносливости. При периодическом деформировании поверхностного

слоя в поверхностно-активном смазочном материале полученный наклеп

сохраняется дольше.

Одновременное воздействие трения качения и кругового изгиба при-

водит к тому, что с ростом числа циклов контактного нагружения и уве-

личением степени выкрашивания эффект упрочнения менее значим по

сравнению с действием других факторов, и разрушение может наступить

при напряжениях ниже предела выносливости.

Влияние фреттинг-коррозии

Случаи усталостного разрушения валов, осей и других деталей под

напрессованными деталями при сравнительно невысоких номинальных

напряжениях широко известны. Снижение сопротивления усталости

стальных деталей в зоне их контакта является результатом совместного

проявления концентрации напряжений, фреттинг-коррозии и сопровож-

дающего ее электроэрозионного разрушения.

Так усталостное разрушение главного шатуна авиационного двигате-

ля типа АШ (рисунок 4.12). Явилось следствием фреттинг-коррозии меж-

ду омедненной наружной поверхностью втулки из стали 15 и хромиро-

ванной внутренней поверхностью кривошипной головки главного шатуна

из стали 40ХН2МА, термически обработанного до твердости НRС 34…40.

Рисунок 4.12 – Усталостная

трещина в результате фреттинг-

коррозии кривошипной головки

главного шатуна

звездообразного двигателя

На сопряженной поверхности головки видны очаги фреттинг-

коррозии и вырывы (вследствие схватывания) в местах, откуда хром пе-

реносился на омедненную поверхность. Не исключаются вырывы основ-

ного металла шатуна под слоем хромового покрытия. Глубина отдельных

вырывов достигает 65 мкм.

165

Связь скорости изнашивания с сопротивлением усталости деталей

бывает довольно сложной. Прочность детали при работе в узле трения

может оставаться неизменной, но может и снижаться со временем из-за

изменений условий и характера взаимодействия между деталями. Более

интенсивное изнашивание при фреттинг-коррозии на части поверхности

контакта деталей может вызвать эксцентричность в приложении осевой

нагрузки. Неравномерная осадка многоопорного вала вследствие различ-

ного износа вкладышей и шеек по отдельным подшипникам вызывает

дополнительные напряжения в вале и перегружает отдельные опоры. Уве-

личение зазоров в соединениях механизмов с возвратно-поступательным

или качательным движением повышает коэффициент динамичности на-

грузки. Известны случаи поломки рельсов из-за образования на поверхно-

сти качения колес лысок при скольжении колес по рельсам во время рез-

кого торможения состава либо в период трогания поезда с места с затор-

моженными колесами вагонов. При входе и выходе лыски из контакта с

рельсом возникают весьма значительные контактные напряжения, сумми-

рующиеся с напряжениями изгиба.

Расплавление подшипников

Особо следует остановиться на повреждениях шеек валов и осей в ре-

зультате расплавления цветных подшипниковых сплавов вкладышей

подшипников при их перегреве. Контакт расплавленных баббитов и бронз

со стальными деталями в напряженном состоянии приводит к образова-

нию трещин и надрывов, становящихся очагами усталостного разруше-

ния. Если расплавленный металл смачивает сталь, то он проникает в рас-

крытые под действием растягивающих напряжений микротрещины по-

верхности стальной детали и, адсорбируясь на стенках трещины, умень-

шает поверхностную энергию основного материала, тем самым снижая

его прочность. Из практики работы железнодорожного транспорта из-

вестны случаи изломов шеек осей колес уже в процессе "горения" букс.

Существенное значение для таких изломов может иметь высокотемпера-

турный нагрев поверхностного слоя металла оси и связанное с этим зна-

чительное снижение пределов текучести и прочности.

Водородное изнашивание и прочность

Содержание водорода в стальных высокопрочных деталях, испыты-

вающих циклические нагрузки, строго ограничивается ГОСТами по при-

чине их охрупчивания водородом. Естественно, усиленное наводорожи-

вание при работе колес и рельсов железнодорожного транспорта, шеек

коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания резко снизит динами-

ческую прочность таких деталей.

166

5 СМАЗЫВАНИЕ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

5.1 Роль смазки

Смазывание трущихся поверхностей деталей машин необходимо для

уменьшения сопротивления трению и обусловленной им потери энергии,

уменьшения износа и нагрева деталей, а также для оказания демпфирую-

щего действия и предохранения поверхностей от коррозии во время без-

действия машины. Таким образом, смазка оказывает смазывающее, демп-

фирующее, защищающее от коррозии и охлаждающее действие. С пото-

ком смазочного масла отводится как теплота трения, так и притекающая к

поверхностям трения теплота от горячих частей машины, как, например, в

паровых турбинах, в двигателях внутреннего сгорания, в насосах для пе-

рекачки горячих жидкостей. Потоком масла выносятся также из зоны тре-

ния продукты износа.

Роль смазки в охлаждении и очистке поверхности трения значительна

даже при бедной, но возобновляющейся в работе смазке. Трение металлов

при смазывании их хотя бы такой полярно неактивной и маловязкой жид-

костью, как керосин или вода, меньше, а износ – во много раз меньше чем

при сухом трении. При трении чугуна по чугуну на машине Амслера при

удельной нагрузке 12,5 МПа и одинаковой скорости скольжения В.П.

Гречиным были получены следующие результаты коэффициента трения:

использование в качестве смазки минерального масла – 0,02, керосина –

0,06, воды 0,22, без смазки – 0,6; суммарный весовой износ пары образцов

в относительных единицах соответственно составлял 1; 1,9; 17,2 и 437.

Понижение температуры поверхности трения смазочной пленкой объяс-

няется большей ее теплоемкостью, чем у металлов. Весовая теплоемкость

меди и железа составляет – 0,11, чугуна – 0,13, машинного масла – 0,40,

керосина – 0,51, воды – 0,99.

Демпфирующее действие смазочного материала заключается в сни-

жении динамичности переменной нагрузки и в уменьшении поперечных и

продольных колебаний при переходе через критическую частоту враще-

ния валов. Одновременно под влиянием масляного слоя подшипников

жидкостного трения возможны усиленные вибрации роторных машин,

нарушающие нормальную их работу.

Необходимо отметить перспективность триботехнических исследова-

ний с применением в качестве смазочных материалов на водной основе и

чистой воде. Имеются принципиальные отличия водяной смазки от мас-

ляной. Они состоят в том, что характер изменения вязкости масла и воды

от давления различен и, кроме того, вязкость воды во много раз меньше

вязкости масла. Гидродинамический слой при смазывании водой будет

167

очень тонким, поэтому требуется очень чистая вода. Наиболее эффектив-

ный путь использования в качестве смазочного материала воды и жидко-

стей на ее основе-применение эффекта безызносного трения. Этот путь

апробирован в судостроении и экономически наиболее целесообразен. На

водной основе созданы жидкости ПГВ (водный раствор полиэтиленглико-

ля и глицерина с комплексом антикоррозионных, антифрикционных и

антипенных присадок), которые реализуют избирательный перенос в сис-

темах гидравлики.

5.2 Виды смазочных материалов

Смазочные материалы могут быть жидкими (масла, вода, серная ки-

слота высокой концентрации в некоторых машинах химической промыш-

ленности, эмульсии и другие жидкости), газообразными (воздушная и

газовая смазки), пластичными и твердыми (тальк, графит, дисульфид мо-

либдена и др.).

Масла по происхождению разделяются на минеральные или нефтя-

ные; органические – растительные из семян (касторовые, горчичные, су-

репные); животные (сало, технический рыбий жир, костное, спермацето-

вые); синтетические.

В промышленности наиболее широкое (до 95%) применение нашли

минеральные масла. По способу получения они могут быть: дистиллят-

ные, полученные вакуумной перегонкой мазута; остаточные, полученные

из остатка от вакуумной перегонки мазута – из гудрона; компаундирован-

ные, полученные смешиванием дистиллятных и остаточных масел.

По области применения ( по назначению ) выделяют масла, моторное,

индустриальное, трансмиссионное, турбинные, компрессорные, прибор-

ные и др. Наиболее значительной по объему производства и ассортименту

является группа моторных масел, подразделяемых на масла для бензино-

вых (карбюраторных) двигателей, дизелей и на универсальные масла для

двигателей разных конструкций. В группе индустриальных масел для

промышленного оборудования выделяют масла для гидравлических сис-

тем, зубчатых передач закрытого типа (редукторов), направляющих и

других. Трансмиссионные масла подразделяют на масла, используемые

для смазывания механических, гидромеханических и гидростатических

передач.

Органические – растительные и животные масла обладают высокой

смазывающей способностью, но имеют плохую стойкость к действию

повышенной температуры. По этой причине в чистом виде их практиче-

ски не используют, иногда добавляют к минеральным для улучшения сма-

зывающих свойств.

168

Следует обратить внимание на высокие качества современных синте-

тических смазочных жидкостей. Хотя их стоимость в (4…8) раз превы-

шает стоимость минеральных материалов, но их применение позволяет

резко расширить диапазон рабочих температур и увеличить сроки экс-

плуатации, что может дать существенный экономический выигрыш. Ши-

рокое применение синтетических углеводородов в компрессорах, редук-

торах, паровых турбинах приводит к снижению энергозатрат, уменьше-

нию рабочей температуры и, в конечном итоге, к повышению эффектив-

ности работы оборудования.

Объем потребления синтетических смазочных жидкостей в современ-

ной техники составляет (3…4)% от общего потребления смазочных мате-

риалов. Однако их использование, по литературным данным, удваивается

каждые (3…4) года. Наиболее известные синтетические смазочные мате-

риалы изготавливают на основе синтезированного углеводорода, органи-

ческих эфиров, полигликолей, фосфатных эфиров и др. Температурный

диапазон применения таких смазочных материалов шире, чем у мине-

ральных масел и смазок, они могут обладать как более низкими, так и бо-

лее высокими коэффициентами трения по сравнению с минеральными

смазочными материалами. Синтетические смазочные материалы с низки-

ми коэффициентами трения целесообразно применять в силовых транс-

миссиях для снижения энергетических потерь, а с высокими коэффициен-

тами трения – в качестве рабочих жидкостей для фрикционных вариато-

ров. Синтетические смазочные материалы обладают высокой долговечно-

стью, высоким сопротивлением окислению, не содержат соединений, вы-

зывающих образование осадка.

5.3 Физико-химические характеристики смазочных материалов

Физико-химические характеристики смазочных материалов (СМ) –

это система регламентированных: стандартами показателей для оценки

качества. Такими показателями являются:

1) номинальная плотность (при заданной температуре);

2) номинальная вязкость (определяется обычно при температуре – 50

или,100 С);

3) температура вспышки – низшая температура вспышки паров нагре-

ваемого СМ при приближении пламени в условиях обычного давления;

4) температура застывания – наивысшая температура, при которой

масло теряет текучесть по определенному допуску (масло после наклона

стандартной пробирки под углом 45 остается неподвижным в течение

1 мин);

169

5) кислотное число (КОН) – количество миллиграммов едкого калия,

требующегося для нейтрализации 1 г СМ;

6) коксуемость – вес кокса в процентах к навеске испытуемого СМ;

7) зольность – наличие в СМ несгораемых веществ;

8) содержание механических примесей;

9) содержание воды;

10) содержание водорастворимых кислот и щелочей;

11) коррозионное воздействие на железные и медные пластинки;

12) содержание серы;

13) содержание селективных растворителей – фенола, крезола, нитро-

бензола и фурфурола, применяемых при селективной очистке СМ.

За исключением вязкости, все показатели либо косвенно и ограничен-

но характеризуют поведение СМ в эксплуатации, либо служат для кон-

троля их качества при производстве, транспортировке и хранении. Про-

анализируем некоторые из этих характеристик.

Плотность сама по себе не характеризует качества СМ, но ее умень-

шение сопровождается снижением вязкости и температуры вспышки. По-

следняя служит показателем испаряемости и огнеопасности СМ. Темпера-

тура вспышки учитывается в случае близости работающего СМ к горяче-

му пару (газу, металлу). Температура вспышки должна быть выше темпе-

ратуры смазываемой поверхности. Температура застывания не характери-

зует полной потери СМ подвижности, так как заметная текучесть сохра-

няется до температуры, которая на (15…20) С ниже температуры засты-

вания (определяется по ГОСТ). Косвенно по этой температуре, можно

судить о растекаемости СМ по поверхности трения.

Кислотное число характеризует содержание кислот в СМ. Водо-

растворимой кислотой в наработавшем СМ может быть серная кислота

как след после кислотной очистки. При отсутствии водорастворимых ки-

слот начальная кислотность СМ обусловлена нафтеновыми кислотами, и

кислотное число в этом случае характеризует содержание в СМ именно

этих кислот Возрастание кислотного числа работающего СМ позволяет

судить о степени его окисления. Наличие водорастворимых кислот и ще-

лочей в СМ не допускается вследствие их разъедающего действия на ме-

таллы. Щелочь в СМ может оказаться как след ее после очистки. Следует

отметить, что в работающие СМ двигателей внутреннего сгорания могут

попасть из продуктов разложения топлива хотя и водорастворимые, но

весьма слабые органические кислоты, как, например, уксусная.

Коксуемость, как показатель качества СМ, определяет степень его

очистки склонность к образованию отложений. Исследования

Д.Н. Вырубова показали, однако, что количество и состав отложений в

двигателе внутреннего сгорания не зависит от вида СМ (для смазывания

использовались масла моторное Т, автолы 6, 10 и 18 с резко различной

170

допустимой коксуемостью). Что касается зольности, то она указывает на

наличие в СМ механических примесей и солей (мыл). Мыла при прокали-

вании дают твердый остаток в виде золы. Мыла в СМ способствуют его

окислению, а повышенная – зольность увеличению твердости нагара в

двигателях внутреннего сгорания.

5.4 Присадки к маслам

Для улучшения эксплуатационных качеств минеральных масел при-

меняют специальные добавки к ним, именуемые присадками. Присадки к

маслам должны хорошо в них растворяться, не выпадать в виде осадка, не

задерживаться на фильтрах смазочной системы и не оседать на поверхно-

стях. По целевому назначению присадки бывают:

1) антифрикционные – для стабилизации сил трения или снижения их

в условиях граничного трения;

2) противоизносные – для уменьшения интенсивности изнашивания

поверхностей;

3) противозадирные – для предотвращения и смягчения процесса за-

едания поверхностей;

4) вязкостные – для улучшения вязкостно-температурных характери-

стик масел;

5) депрессорные – для понижения температуры застывания масел; 6)

противоокислительные (ингибиторы) – для замедления окисления масла

кислородом воздуха;

7) антикоррозионные – для уменьшения коррозионного действия ма-

сел на металл;

8) моющие – для уменьшения углеродистых отложений на деталях

двигателей;

9) противопенные – для предотвращения вспенивания масел и для бы-

строго разрушения образующейся пены;

10) многофункциональные – для улучшения одновременно несколь-

ких свойств масел.

5.5 Пластичные смазочные материалы

Пластичные СМ являются коллоидными системами. Они легко де-

формируются под внешним воздействием. Пластические свойства их свя-

заны с температурой.

Пластичные СМ представляют собой минеральные масла, загущенные

мылами, т.е. солями растительных, животных и синтетических жирных