Козлов В.В. Надёжность горных машин и оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

171

5.Как определяется коэффициент эквивалентности режима

нагружения. К

реж

6.Как определяется коэффициент вариации эквивалентной

нагрузки?

7.Объясните физический смысл показателя степени кри-

вой усталости (m).

8.Чему соответствует коэффициент вариации переменной

нагрузки в расчетах на сопротивление усталости?

9.Как определяется вероятность безотказной работы по

критерию прочности?

10.По каким параметрам ведут оценки надежности элемен-

тов при изнашивании?

11.От чего зависит интенсивность износа сопрягаемых де-

талей?

172

ГЛАВА 10

ТРЕНИЕ И ИЗНОС

10.1 Трение и изнашивание поверхностей [11]

Исследованием процессов трения и изнашивания деталей и

сопряжении машин занимается наука - требоника. Основы теории

трения и изнашивания разработаны советскими учеными

П. А. Ребиндером, В. Д. Кузнецовым, Л. К. Зайцевым, И. В. Кра-

гельским, М. М. Хрущевым, Б. И. Костецким.

Внешним трением (трением) называют явление сопро-

тивления относительному перемещению, возникающее между

двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по каса-

тельным к ним. Основной характеристикой внешнего трения яв-

ляется сила трения – сила сопротивления относительному пере-

мещению двух тел при трении.

В зависимости от кинематики относительного перемеще-

ния деталей различают трение скольжения, трение качения и

трение качения с проскальзыванием.

Понимание сущности процессов трения обусловливает

правильный выбор конструктивных и эксплуатационных меро-

приятий, направленных на повышение долговечности элементов

машин. На характер трения влияют качество рабочих поверхно-

стей и их физические свойства.

Наглядной характеристикой качества рабочей поверхности

детали является ее профилограмма, на которой в увеличенном

виде отображаются контуры 'шероховатостей. Шероховатость

новой детали зависит от вида механической обработки и твердо-

сти материала, а в процессе эксплуатации – от условий работы

деталей сопряжения.

Физические свойства поверхностного слоя отличаются от

свойств основного металла детали. В основном металле атомы

173

кристаллической решетки находятся в равновесии, взаимодейст-

вуя с окружающими их атомами кристаллических решеток. В

поверхностных же слоях атомы входят во взаимодействие с ок-

ружающей средой. В результате на поверхности металла образу-

ются тончайшие пленки окислов, значительно влияющих на силу

трения. Такие пленки прочно связаны с основным металлом и,

увеличиваясь с течением времени, изменяют механические свой-

ства поверхностного слоя детали.

При обработке поверхностей основное влияние на их фи-

зические свойства оказывают механическое воздействие режуще-

го инструмента и процесс теплообмена детали с окружающей

средой. В результате механического воздействия всякая обрабо-

танная поверхность металла большей частью меняет свою кри-

сталлическую структуру. Происходит частичное упрочнение по-

верхностного слоя детали (наклеп). Под действием тепла, обра-

зующегося при взаимодействии режущего инструмента и детали,

происходит вторичная закалка в обрабатываемом слое металла

(рис10.1, зона 0 – а), а на некотором удалении от поверхности –

отпуск закаленного слоя (зона а - б). Правее точки б сохраняется

твердость основного металла.

В зависимости от количества смазочного материала на

трущихся поверхностях деталей различают в основном три вида

трения: трение без смазки (сухое), граничное и жидкостное тре-

ние. На практике нередко встречается одновременно граничное

трение и трение без смазки. Этот вид трения называют полусу-

хим. Комбинацию граничного и жидкостного трения называют

полужидкостным трением.

Трение без смазки всегда сопровождается механическим

повреждением трущихся поверхностей, упругопластическим

деформированием, задирами, интенсивным теплообразованием,

возникновением шума и вибрации. Для этого вида трения харак-

174

терно как механическое, так и молекулярное взаимодействие по-

верхностей. Имеющаяся на поверхностях деталей шероховатость

мешает контакту поверхностей по всей площади. Поэтому в про-

цессе работы детали соприкасаются лишь выступами шерохова-

тостей трущихся поверхностей. Площадь касания этих выступов

составляет ничтожную долю общей площади поверхности, по-

этому даже при малой нагрузке возникает большое давление. Под

влиянием этого давления выступы при относительном перемеще-

нии поверхностей взаимно внедряются и разрушаются. При этом

на контактирующих участках поверхностей деталей возникают

силы молекулярного взаимодействия.

Рисунок 10.1 Изменение микротвердости поверхностного

слоя закаленной стали 45 при обработке со

скоростью 135 м/мин

Величина коэффициента трения (рис10.2) зависит от дав-

ления в зоне контакта и от твердости материалов. Чем больше

давление и тверже материалы, тем ближе к началу координат

располагается точка максимума. Увеличение коэффициента тре-

ния при малых скоростях объясняется пластическими деформа-

циями поверхностей, а понижение его при увеличении скорости -

175

нагревом трущихся поверхностей.

Наличие окисной пленки на поверхности значительно по-

нижает коэффициент трения для весьма гладких поверхностей

при небольших нагрузках (рис. 10.3). Значения коэффициента

трения для пары сталь - сталь составляют: при отсутствии пленки

f = 0,78, с окисной пленкой f = 0,27. Для шероховатых поверхно-

стей при больших нагрузках этот эффект существенного -

значения не имеет.

Таким образом, коэффициент трения чистых металлов в

несколько раз больше, чем металлов, покрытых окисными плен-

ками.

Граничное трение возникает тогда, когда трущиеся по-

верхности разделены молекулами масла, адсорбированными на

поверхности металла вследствие полярной активности и сил мо-

лекулярного притяжения. Толщина масляного слоя в этом случае

не превышает 0,1 мкм.

Тонкая граничная пленка смазки способна выдержать нор-

мальное давление в несколько тысяч мегапаскалей. Таким обра-

зом, пленка смазки надежно защищает поверхность металла от

повреждения. При уменьшении толщины пленки граничное тре-

ние переходит в трение без смазки, при увеличении − в жидко-

стное трение.

В процессе эксплуатации машин граничное трение наблю-

дают в элементах редукторов, например, в зацеплении шестерен

бортовых передач, в шариковых подшипниках.

Жидкостное трение бывает тогда, когда трущиеся по-

верхности полностью разделены слоем смазки. При этом трение

металлических поверхностей заменяется внутренним трением

слоев смазочного материала. Основным свойством смазочного

материала, обеспечивающим жидкостное трение, является его

вязкость. Это свойство проявляется в стремлении жидкости пре-

176

пятствовать изменению формы и характеризуется внутренним

трением жидкости. Количественная оценка вязкости материала

осуществляется коэффициентом вязкости.

Рисунок 10.2 – Зависимость коэффициента трения стально-

го образца по чугунному от скорости пере-

мещения и давления: 1 – при р = 0,31 МПа

(3,1 кгс/см2); 2 – при р = 0,863 МПа

(8,63кгс/см2)

Рисунок 10.3 – Зависимость изменения коэффициента

трения от толщины окисной пленки (пара

медь – медь)

Коэффициент динамической вязкости µ характеризует

связь между напряжением сдвига τ и скоростями v сдвига слоя

смазки:

177

µτ =

Коэффициентом кинематической вязкости называют

отношение коэффициента динамической вязкости к плотности

жидкости ρ (м

/с)

ν =

Вязкость значительно снижается при повышении темпера-

туры масла. При небольших давлениях в тонких пленках вязкость

масла остается примерно постоянной, но при увеличении давле-

ния более 100 МПа (1000 кгс/см

) значение ее резко повышается

(рис. 10.4)

Коэффициент трения - безразмерная величина, зависящая

от коэффициента µ динамической вязкости, относительной ско-

рости v движения и нагрузки р. Чем больше µ и v и чем меньше

р на единицу площади, тем больше коэффициент трения, т. е.

Аf

где А - коэффициент пропорциональности, характеризующий

конструкцию узла трения.

Жидкостное трение свойственно подшипникам. Режим ра-

боты подшипника определяется отношением µn/Р, где n - частота

вращения. Нормальная работа подшипника обеспечивается при

условии, что минимальная толщина слоя смазки больше критиче-

ской, т. е. такой, при которой начинается полусухое трение. Зна-

чение критической толщины слоя смазки зависит от качества по-

178

верхностей, размеров абразивных частиц, находящихся в масле, и

других факторов.

Рисунок 10.4 – Зависимость вязкости масла от давления.

Рисунок 10.5 – Зависимость коэффициента трения от ре-

жима работы подшипника скольжения

Условия трения в подшипниках можно наглядно

проиллюстрировать графиком, приведенным на рис. 10.5. В зоне

А − В имеет место полужидкостное трение, правее точки В −

жидкостное трение. Жидкостное трение обеспечивает устойчи-

вый режим трения. Повышение коэффициента трения в зоне пра-

вее точки В приводит к повы- повышению температуры

179

масла. Это вы

зывает снижение вязкости и, следовательно, характеристики

µn/Р с последующим уменьшением коэффициента трения. Таким

образом, режим работы восстанавливается. По тем же соображе-

ниям полужидкостное трение является неустойчивой фазой. Уве-

личение коэффициента трения на участке А - В приводит к сни-

жению вязкости масла, т. е. к дальнейшему повышению f и к пе-

регреву подшипника.

Коэффициент f

трения качения имеет линейную размер-

ность и представляет собой полухорду зоны сжатия. Он зависит

от упругих свойств материалов. Для деталей из мягкой стали f

0,005 см, а для деталей из закаленной стали − f

=0,001 см.

10.2 Виды разрушений типовых деталей горной техники

Основными видами разрушений типовых деталей горной

техники являются: поломка, износы и коррозия. На долю этих

видов разрушения приходится более 75 % всех повреждений и

отказов. К повреждениям и отказам может привести недопусти-

мое коробление (деформация) деталей либо регулировка сбороч-

ных единиц.

Поломка − результат разрушения, заключающегося в

разрыве межатомных связей в материале детали, при котором

последняя разделяется на две или большее число частей с образо-

ванием поверхностей раздела, называемых изломами. Изломы

бывают вязкими, хрупкими и усталостными. У каждого излома

можно выделить фокус излома, зону развития трещины и зону

долома. Фокус излома является очагом зарождения трещины, и

он может находиться на поверхности детали или на некотором

расстоянии от поверхности в глубине детали. Зона развития тре-

щины имеет меньшую шероховатость, чем зона излома.

180

Вязкий излом − имеет явно выраженное волокнистое

строение, его неровные участки рассеивают свет и поверхность

излома кажется матовой, лишенной кристаллического блеска.

Признаком вязкого излома является наличие боковых скосов по

его краю.

Если в процессе эксплуатации произошла поломка детали

в нескольких местах, то надо знать, что первичные изломы (кото-

рые могли повлечь за собой все остальные поломки), как прави-

ло, не бывают вязкими. Вязкие первичные изломы встречаются

при разрушении, в редких случаях − вследствие грубых ошибок,

допущенных при расчете на прочность, монтаже (сборке) или

эксплуатации. Относительно медленно развивающаяся вязкая

трещина либо заблаговременно обнаруживается, либо из-за чрез-

мерной пластической деформации деталь еще до ее полного ее

разрушения перестает выполнять свои функции.

Признаком хрупких изломов являются гладкие, ровные

кромки излома без скосов или с небольшими скосами. Скос на

хрупком изломе указывает место долома, т.е. окончание разру-

шения. Чаще всего о характере разрушения − хрупкое или вязкое

− судят по степени пластической деформации детали, предшест-

вующей разрушению детали. Если степень пластической дефор-

мации больше 5 %, то разрушение вязкое, если меньше − хруп-

кое.

Разрушение называют хрупко-вязким, если излом вязкий,

а зона излома хрупкая.

Обычно хрупкие изломы встречаются в результате дейст-

вия высоких динамических нагрузок при аварийных перегрузках.

Хрупкие изломы могут быть также вызваны хладоломкостью

металла при низких температурах. Вязкие изломы встречаются

реже хрупких, как правило, после значительных деформаций де-

тали, в результате действия высоких нагрузок аварийного харак-