Министерство образования Российской федерации

Российский химико-технологический университет

им. Д.И. Менделеева

Новомосковский институт

Б.П. Сафонов, А.В. Бегова

ИНЖЕНЕРНАЯ ТРИБОЛОГИЯ:

ОЦЕНКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И

РЕСУРСА ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ

Учебное пособие

Новомосковск 2004

Министерство образования Российской федерации Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Новомосковский институт

ИНЖЕНЕРНАЯ ТРИБОЛОГИЯ:

ОЦЕНКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И

РЕСУРСА ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ

Учебное пособие Новомосковск УДК 621. ББК 34. И Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Московского автомобильнодорожного институту (ГТУ) Гриб В.В.

кандидат технических наук, доцент РГТУ им. К.Э. Циолковского – «МАТИ»

Ерошкин В.П.

Б.П. Сафонов, А.В. Бегова И622 Инженерная трибология: оценка износостойкости и ресурса трибосопряжений. Учебное пособие для студентов специальности 170515 / РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт;

Б.П. Сафонов, А.В.Бегова. Новомосковск, 2004. – с.

ISBN_ В учебном пособии рассмотрены вопросы: классификации видов нарушения фрикционных связей и видов изнашивания элементов трибосопряжений; методического подхода к разработке критериев износостойкости сталей для условия микрорезания на контакте; оценки расчетного срока службы опоры граничного трения и гидродинамической опоры.

Представлены численные примеры построения статистических моделей вида «износостойкость-свойство», рядов износостойкости и расчета на ресурс сопряжения «вал-втулка».

Ил. 20. Табл.9. Библиогр. список 17 назв.

УДК 621. ББК 34. Б.П.Сафонов, А.В. Бегова, © Новомосковский ин-т Российского © химико-технологического ун-та им. Д.И.Менделеева, Предисловие Учебное пособие написано в соответствии с учебным планом специальности 170515 «Оборудование и технология восстановления систем химического оборудования» для курсов «Основы теории трения и изнашивания» и «Триботехника химического оборудования».

Повышение эффективности работы технологического оборудования напрямую зависит от долговечности подвижных сопряжений (опоры, уплотнения, передачи и др.) и исполнительных органов (перемешивающие, дозирующие, транспортирующие и др.

устройства) машин, механизмов и аппаратов. Незапланированные простои крупнотоннажных химических и мощных энергетических установок приводят к многомиллионным убыткам. Внезапные отказы транспортных средств часто приводят к катастрофическим последствиям.

О значимости проблем трения и изнашивания в машинах для развития общества говорят следующие цифры. В нашей стране до 25% станочного парка занято на ремонте и восстановлении изношенных и разрушенных деталей машин. Потери от трения еще более впечатляют. Так по данным экспертов от 1/4 до 1/3 всей вырабатываемой человечеством энергии безвозвратно теряется на преодоление сил трения в подвижных сопряжениях машин.

В этой связи нет сомнений в актуальности проблем, связанных с реализацией мероприятий по снижению затрат, обусловленных трибологическими проблемами. Успешное решение любой научнотехнической проблемы возможно лишь на основе ее всестороннего изучения.

В учебном пособии рассмотрены вопросы: классификации видов нарушения фрикционных связей и видов изнашивания элементов трибосопряжений; методического подхода к разработке критериев износостойкости сталей для условия микрорезания на контакте; оценки расчетного срока службы опоры граничного трения и гидродинамической опоры, представлены примеры построения статистических моделей вида «износостойкость-свойство», рядов износостойкости и расчета на ресурс сопряжения «вал-втулка».

Данное учебное пособие, направленное на углубление трибологической подготовки студентов-механиков, будет полезно также специалистам, работающим в области проектирования и эксплуатации оборудования.

Машиностроение является технической основой материального производства. Научную базу машиностроения составляет специализированная техническая наука – машиноведение. Важной частью в машиноведении являются теория трения, исследование износа и износостойкости деталей машин. В рамках этих разделов машиноведения решаются вопросы повышения качества сопряженных деталей, их смазывания, увеличения коэффициента полезного действия и ресурса работы машины.

Трибология – наука о трении и процессах, сопровождающих трение. Трибология, как раздел машиноведения, охватывает экспериментально-теоретические исследования физических (механических, электрических, магнитных, тепловых, химических) и других явлений сопутствующих трению.

Инженерная трибология – это применение трибологических знаний для решения практических задач при проектировании, изготовлении, испытании и эксплуатации трибологических систем (узлов трения машин, приборов, а также режущего, деформирующего и породоразрушающего инструмента).

Изнашивание – поверхностное разрушение взаимодействующих элементов трибосистемы, является неизбежным процессом, сопровождающим штатную работу технического устройства. Поэтому одной из задач инженерной трибологии является разработка критериев оценки износостойкости материалов и методик оценки расчетного ресурса трибосопряжений.

В настоящее время в нашей стране сложились признанные школы трибологии в ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ВНИИЖТе и другие.

Большой личный вклад в трибологию внесли отечественные ученые – лауреаты международной золотой медали по трибологии:

И.В.Крагельский, Г.В. Виноградов, А.В.Чичинадзе, Н.А.Буше.

1. Трение и изнашивание в трибосопряжениях 1.1. Процессы контактного взаимодействия при трении Трение – комплекс физико-химических явлений в зоне контакта поверхностей двух перемещающихся относительно друг друга тел, в результате чего в этой зоне возникают контактные силы.

Трение как физико-химический феномен принято разделять на виды по двум идентифицирующим признакам:

Классификация видов трения, реализуемого в конкретных трибосопряжениях технических устройств, представлена на рис.1. Как видно из рисунка, трение присуще всем без исключения техническим устройствам, в которых имеет место контактирование деталей, поэтому в настоящее время трибология, фундаментальная и инженерная, развиваются бурными темпами.

В общем виде физическая картина трения может быть представлена следующим образом. При функционировании технического устройства на дискретных площадках фактического контакта развиваются высокие удельные давления, которые в сочетании со скольжением, обусловливающим значительные температурные градиенты в объемах материала контактирующих элементов, прилежащих к зонам касания, создают в них специфическое напряженно-деформированное состояние, которое не имеет аналога при объемном нагружении.

Интенсивное механо-термическое воздействие на материал, осложненное влиянием окружающей среды на свойства поверхностных слоев, приводит к модифицированию материала в микро- и макрообъемах, прилежащих к поверхности контакта.

Вторым процессом контактного взаимодействия при трении является изнашивание взаимодействующих элементов.

Изнашивание – это процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации.

Локальные свойства модифицированного поверхностного слоя в сочетании с объемными свойствами материала определяют сопротивление взаимодействующих элементов контактному нагружению, называемому износостойкостью материала.

Внутреннее ТС, где наличие ТС, где поверхности Слой смазки недопустимо или Трение определяют Движения Опоры качения, Направляющие, Зубчатые передачи, центроидные м-мы опоры скольжения, колесный транспорт, Рис.1. Классификационная схема видов трения технического устройства сопряженными поверхностями, сопровождающемся их относительным перемещением, в поверхностных слоях элементов возникают механические и молекулярные взаимодействия, которые приводят к развитию контактных деформаций, после достижения которыми предельных значений наступает контактное разрушение, именуемое износом.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах.

Существуют разнообразные методы измерения износа от простейших, когда обычными средствами производят измерение размеров изнашивающихся деталей, до методов, использующих ядерно-физические процессы. Классификация методов измерения износа приведена в табл.1.

Наиболее целесообразны дифференциальные методы измерения износа (микрометрирования, искусственных баз и др.), которые позволяют определить распределение износа по всей поверхности трения взаимодействующих элементов и оценить влияние, которое оказывает неравномерность износа на выходные параметры изделия.

В ряде случаев применяются также методы оценки износа по выходным параметрам сопряжения.

В инженерной практике для расчета трибосопряжений используют две количественные характеристики протекания процесса изнашивания во времени и пространстве. Кинетической характеристикой процесса изнашивания является скорость изнашивания, а пространственной – интенсивность изнашивания.

Скорость изнашивания - отношение величины износа ко времени, в течение которого он возник.

Скорость изнашивания может определяться, опираясь на различные характеристики износа ( толщину, массу или объем), в этом случае будем иметь скорость изнашивания линейную h, по массе m или объему v. Следует различать среднюю и мгновенную скорость изнашивания.

Средняя скорость изнашивания представляет собой отношение конечного приращения величины износа h, m, v к интервалу времени t Классификация методов измерения износа Интегральны Оценка По изменению массы образца ( Продукты износа Химический анализ Дифференци Микрометрирован Измерение размеров Изменение выходных параметров Измерение:

Мгновенная скорость изнашивания находится как отношение бесконечно малых приращений износа и времени, т.е. отношение их дифференциалов.

Скорость изнашивания имеет размерность, соответствующую размерностям входящим в формулу для ее определения величин:

Линейная скорость изнашивания используется при расчетах трибосопряжений на долговечность. Скорость изнашивания по массе и объему находит в инженерных трибологических расчетах значительно меньшее применение.

Второй, пространственной характеристикой протекания процесса изнашивания является интенсивность изнашивания.

Интенсивность изнашивания I – отношение величины износа к пути трения l, на котором происходил этот износ.

Если в качестве износа принята линейная характеристика h, то это будет линейная интенсивность изнашивания Ih. Может быть также интенсивность изнашивания по массе Im, и объемная интенсивность изнашивания Iv Линейная интенсивность изнашивания величина безразмерная, поскольку в числителе и знаменателе величины с одинаковой размерностью. Im и Iv – величины размерные:

Количественно износостойкость И определяют как величину, обратную или износу, или скорости изнашивания, или интенсивности изнашивания:

Износостойкость применяется в основном для анализа качественного характера процесса изнашивания материала, а интенсивность изнашивания удобна для построения статистических моделей при трибологических исследованиях.

Государственным стандартом на термины и определения в трибологии (ГОСТ 27674) введен еще ряд терминов, необходимых в инженерных расчетах по трибологии, среди них:

- предельный износ – износ, соответствующий предельному состоянию изнашиваемого изделия или его составной части (состояние отказа) - допустимый износ – значение износа, при котором изделие сохраняет работоспособность Трибосопряжение будет сохранять работоспособность, пока допустимый для него износ не превысит установленное предельное значение.

Условие работоспособности трибосопряжения имеет вид С понятием допустимого износа непосредственно связано понятие ресурса трибосопряжения. Под ресурсом трибосопряжения Т понимается срок его штатной эксплуатации, в течение которого параметры трибосопряжения находятся в заданных рамках. Ресурс трибосопряжений – паспортная характеристика технического устройства.

Следует подчеркнуть, что назначение величины допустимого износа элементов пар трения является определяющим при разработке методик расчета долговечности трибосопряжений, поскольку завышение величины [h] повышает риск трибологического отказа технического устройства, а занижение [h] приводит к значительным простоям оборудования в ремонте, что отрицательно сказывается на эффективности его работы. Назначение допустимого износа [h] для конкретных трибосопряжений является комплексной задачей машиностроителей, трибологов и эксплуатационников, поэтому в данном учебном пособии эта проблема не рассматривается.

Условие долговечности трибосопряжения имеет вид где t – расчетный срок службы трибосопряжения.

Следует различать скорость изнашивания материала и трибосопряжения. Для трибосопряжения скорость изнашивания определяется как сумма скоростей изнашивания взаимодействующих элементов где 1, 2 – скорость изнашивания взаимодействующих Расчетный срок службы трибосопряжения t по достижении им допустимого износа [h] Жизненный цикл трибосопряжения состоит из определенных периодов, различающихся стационарностью. В общем случае их три:

приработка, установившийся износ и катастрофический износ (рис.2).

Приработка (I) является нестационарным режимом изнашивания с убывающей скоростью или отрицательным ускорением изнашивания В течение приработки происходит формирование поверхности взаимодействия элементов трибосопряжения. Во время приработки нагрузочные параметры трибосопряжения поддерживаются пониженными, чтобы обеспечить эффективную работу технического устройства в последующем на рабочих режимах.

Установившийся износ (II) – стационарный период работы трибосопряжения, во время которого скорость изнашивания постоянна.

Во время установившегося износа нагрузочные параметры трибосопряжения поддерживаются на рабочем режиме. Рациональная конструкция и оптимальная эксплуатация технического устройства характеризуется продолжительным периодом установившегося износа.

Катастрофический износ (III) – заключительный период жизненного цикла трибосопряжения, характеризующийся нарастанием скорости изнашивания В процессе работы на взаимодействующих поверхностях элементов трибосопряжения происходит непрерывное изменение условий контактирования. Эти изменения приводят к накоплению отклонений параметров трибосопряжения от оптимальных, сформировавшихся в период приработки и имевших устойчивые значения в период установившегося износа. Когда изменения условий работы трибосопряжения превышают некоторый уровень, наступает возрастание скорости изнашивания. Если на этом этапе не прекратить эксплуатацию трибосопряжения, то может наступить отказ технического устройства.

I II III I II III

Рис. 2. Кинетические кривые износа трибосопряжений [10] На рис. 2а представлена классическая кинетическая кривая трибосопряжения. Переход II III является границей нормальной эксплуатацией трибосопряжения. В частных случаях кинетические кривые износа имеют разновидности, характерные для отдельных классов трибосопряжений.

При неправильной конструкции трибосопряжения или его эксплуатации в неоптимальном режиме на кинетической кривой отсутствует установившейся износ и приработка переходит в катастрофический износ (рис.2, б).

Для трибосопряжений, работающих в тяжелых условиях (рабочие органы технологических машин, взаимодействующие с перерабатываемыми абразивными массами) отсутствует период приработки и катастрофического износа, весь период эксплуатации трибосопряжение работает при = const (рис.2, в).

Для трибосопряжений опор качения приработка и установившийся режим имеют незначительные величины износа элементов трибосопряжений, поэтому фиксируемые изменения на поверхностях контакта имеются лишь в период катастрофического износа (рис.2, г).

1.4. Виды изнашивания деталей трибосопряжений Контактное взаимодействие элементов трибосопряжения в трибологии принято классифицировать по признаку элементарных процессов разрушения, которые проф. И.В.Крагельский предложил называть видами нарушения фрикционных связей. Процесс контактного разрушения при этом предлагается рассматривать, как совокупность единичных актов возникновение и нарушение фрикционных связей (рис.3).

Каждый вид нарушения фрикционных связей характеризуются определенным числом циклов n взаимодействия элементов трибосопряжения до разрушения. При этом речь идет о микроразрушении, когда с поверхности контакта элементов трибосопряжения отделяется фрагмент материала, который называется частицей износа. Частица износа может представлять собой как фрагмент материала элемента, так и продукт взаимодействия материала элемента со смазкой и окружающей средой.

По аналогии с объемной прочностью способность материала сопротивляться трибологическому нагружению называется контактной прочностью. Контактная прочность материала контролируется как объемными свойствами изнашиваемого материала, так и локальными свойствами поверхностного слоя.

Согласно классификации И.В.Крагельского все разнообразие видов контактного взаимодействия сведено к пяти основным видам по характеру разрушения и числу циклов нагружения, предшествующих разрушению:

I – упругое оттеснение материала взаимодействующих элементов, число циклов да разрушения n. Упругое оттеснение является предпочтительным видом контактного взаимодействия, поскольку имеет минимальную интенсивность изнашивания элементов;

II – пластическое оттеснение материала взаимодействующих элементов, число циклов да разрушения >n>1;

III – микрорезание материала, n1.

IV – разрушение вторичных пленок, формирующих в процессе контактного взаимодействия, n;

V – глубинное вырывание материала (адгезия), n1.

Изнашивание подразделяется на виды, которые реализуются по одному из представленных на рис.3. механизмов.

В случае n вид изнашивания называют допустимым. В этом случае имеем высокую износостойкость поверхностей трения.

При n1 вид изнашивания считается недопустимым. В этом случае износостойкость низкая. Такой вид изнашивания необходимо, по возможности, исключить, заменив менее интенсивным процессом поверхностного разрушения.

Адгезионное схватывание относится к недопустимым видам и является следствием нарушения нормальной эксплуатации машин или ошибок при подборе материалов элементов трибосопряжения.

Стараются также избежать процессов микрорезания, так как при этом значительно возрастает интенсивность процесса разрушения поверхностных слоев.

Основным процессом, возникающим при трении материалов и приводящим к износу, является упругопластическая деформация как результат взаимодействия неровностей поверхностей трения. В свою очередь, этот процесс порождает и сопровождается целой гаммой производных физических, химических и механических процессов, протекающих на поверхностях и в поверхностных слоях трущихся тел.

Изнашивание является процессом, сопровождающим работу подвижных сопряжений технических устройств. Причем изнашивание нельзя избежать, поскольку оно является одной из форм старения машины, его можно лишь минимизировать, увеличив тем самым время межремонтного пробега оборудования.

Рис.3. Виды нарушений фрикционных связей Термин «недопустимый вид изнашивания» следует трактовать как вид изнашивания, отличающийся высокой интенсивностью, который по возможности следует избегать.

Однако в ряде случаев конструктор – триболог вынужден мириться с наличием в создаваемом техническом устройстве трибосопряжений, в которых имеют место недопустимые виды контактного взаимодействия.

Это относится в основном к микрорезанию, поскольку в ряде случаев условия функционирования машины таковы, что избежать микрорезание невозможно. Например, дозирующие и транспортирующие устройства для абразивных сред в химической, горно-обогатительной и строительной промышленности, почвообрабатывающие орудия в сельском хозяйстве и др.

В тоже время наличие абразивных частиц, вызывающих микрорезание в системе смазки двигателя внутреннего сгорания, является недопустимым в прямом смысле слова. В этом случае необходимо исключать попадание абразива в систему смазки.

Поэтому подход к способу повышения износостойкости при микрорезании различный. Для трибосопряжений, в которых микрорезание функционально, повышение износостойкости осуществляется рациональным выбором материалов (материаловедческий способ).

В трибососпряжениях, для которых наличие абразива не является функциональным, повышение износостойкости при микрорезании осуществляется путем исключения попадания абразива в трибосопряжение (конструктивный способ).

В трибосопряжении реализуется определенный механизм изнашивания. Изнашивание принято классифицировать на три группы механическое, молекулярно-механическое и коррозионномеханическое.

Механическое изнашивание – вид изнашивания, при котором контактное разрушение деталей происходит в результате механических воздействий на взаимодействующие элементы трибосопряжения.

Молекулярно-механическое изнашивание – вид изнашивания, при котором контактное разрушение деталей происходит с участием межмолекулярных сил, возникающих на взаимодействующих поверхностях элементов трибосопряжения.

Коррозионно-механическое изнашивание – вид изнашивания, при котором контактное разрушение деталей происходит в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохимическим взаимодействием материала элемента трибосопряжения со средой, находящейся на контактной поверхности.

Внутри названных групп различают следующие виды изнашивания:

• усталостное изнашивание – контакное разрушение многократного передеформирования поверхностного слоя.

Типичным представителем усталостного изнашивания является питтинг (усталостное выкрашивание) дорожек и тел качения шарико- и роликоподшипников, опорно-поворотных устройств • кавитационное изнашивание – контактное разрушение на границе раздела твердое тело-жидкость. Наблюдается в высокоскоростном потоке жидкости. Кавитация наблюдается в трубопроводах, гидромоторах, турбинах и др.

(гидроэрозионное) или газа (газоэрозионное). Эрозия представляет собой разрушение поверхности детали вследствие механического воздействия скоростного потока жидкости, газа Среди различных видов механического изнашивания деталей машин наиболее распространенным является абразивное изнашивание.

Абразивное изнашивание поверхности происходит в результате режущего или царапающего воздействия твердых частиц с отделением стружки. Часто абразивные частицы являются продуктами износа.

Абразивное изнашивания имеет место при трении элементов машин о перерабатываемый или транспортируемый материал. Оно характерено для работы бурового, горного, металлургического, химического оборудования, а также строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машин.

Интенсивность абразивного изнашивания существенно зависит от соотношения твердости металла Hм и абразива На (рис.4).

I - область усталостного разрушения (n) II - область пластического передеформирования III – область микрорезания Микрорезание является самым опасным режимом работы трибосопряжения, поскольку оно сопровождается быстрым разрушением контактных поверхностей.

Для исключения микрорезания в трибосопряжениях возможны два способа. Это конструктивный вариант, заключающийся в исключении попадания абразивных частиц в трибосопряжение, и материаловедческий – состоящий в переводе трибосопряжения в область усталостного разрушения на контакте. Для этого необходимо обеспечить выполнения условия Конструктивный вариант исключения микрорезания приемлем в случаях, когда наличие абразивных частиц в трибосопряжении не связано с функционированием технического устройства (системы смазки, гидравлические системы и др.).

Материаловедческий вариант борьбы с микрорезанием в трибосопряжениях используется в случаях, когда взаимодействие с абразивными частицами является функциональным назначением трибосопряжений (буровые долота, дозаторы, дробильное оборудование и т.п.).

Если частицы абразива переносятся средой, то имеем изнашивание незакрепленными частицами абразива – газо- и гидроабразивное. Этим видам износа подвержены лопатки газовых турбин, направляющие гидравлических турбин, трубы и насосы земснарядов и др.

взаимодействующих с потоками жидкости или газа: теплообменники, топливные системы, регулирующие устройства гидравлических и паровых систем, поршневые кольца ДВС и компрессоров.

К молекулярно-механическому изнашиванию относится заедание – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и несовместимо с нормальной эксплуатацией технического устройства..

технологических процессах: холодная сварка металлов, получение биметаллов методом холодной прокатки. В этом случае схватывание желательно. В трибосопряжениях схватывание всегда вредно и несовместимо с нормальной работой трибосопряжения.

Наличие химически активной среды на поверхности трения приводит к параллельному протеканию трибологического и химического процесса.

При контакте металла с обезвоженными газами и неэлектропроводящими жидкими средами происходит химическая коррозия.

При контакте металла с электролитами (водные растворы кислот, солей, щелочей, расплавы солее и т.п.) возникает электрохимическая коррозия, сопровождаемая анодными и катодными процессами.

Коррозионно-механическое изнашивание проявляется в виде окислительного изнашивания и фреттинг-коррозии.

Окислительное – коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей средой.

Фреттинг- коррозия (фрикционная коррозия, коррозия трения, контактная коррозия, просто фреттинг) – коррозионно-механическое изнашивание плотно контактирующих твердых тел при наличии относительных тангенциальных микросмещений.

Фреттинг-коррозии подвержены поверхности контакта прессовых соединений ступица-вал, шпонка-вал, центрирующие поверхности, опорные поверхности пружин, ножевые опоры силоизмерительных устройств, поверхности затянутого стыка.

I II III

Рис.4. Зависимость относительной износостойкости () и относительного износа 1/ от отношения твердостей Наиболее радикальным методом предотвращения фреттингкоррозии является уменьшение микросмещений.

Электроэрозионное – эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Этому виду изнашивания подвержены скользящие контакты электрических машин и сварочных аппаратов; токосъемы транспортных и подъемно-транспортных машин, в радиоэлектронной аппаратуре, средствах автоматики и связи; слаботочные подвижные контакты реостатов, потенциометров, кодовых датчиков и др.

Для снижения интенсивности электроэрозионного изнашивания используют: создание на поверхностях контакта тонких переходных слоев, не ухудшающих токопроводимость, но снижающих вероятность схватывания; создание композиционных материалов, содержащих электропроводные смазки; создание токопроводящих смазочных материалов.

1.5. Методы исследования износостойкости сталей Износостойкость одного и того же материала является переменной величиной и зависит от многих факторов: механических свойств изнашиваемого материала, свойств абразива и размеров абразивных зерен, от соотношения механических характеристик абразива и металла, а также от удельной нагрузки на контакте, температурного воздействия, наличия охлаждения зоны трения и других факторов.

В отличие от механических характеристик группы прочности и пластичности износостойкость определяется не только начальными свойствами испытуемого материала, но и свойствами материала контртела, во взаимодействии с которыми происходит изнашивание при эксплуатации, а также характером контактного нагружения.

Зависимость износостойкости материала от условий изнашивания и свойств контактирующего с ним материала усложняет оценку фактического износа и выбор методов для его определения.

Разработка методов испытания материалов на изнашивание обусловлена необходимостью достоверного выбора износостойких материалов с целью повышения ресурса машин, механизмов, инструмента.

В технических устройствах, содержащих трибосистемы (подвижные соединения элементов), физико-химические процессы, происходящие в материале, обусловлены особым видом нагружения, называемым трибологическим.

Трибологическое нагружение имеет место при относительном перемещении взаимодействующих элементов механической системы.

Его влияние на материал деталей локализовано в поверхностном слое, глубина которого составляет величину порядка 0,01…3 мм в зависимости от условий нагружения.

На рис.5. показаны виды кинематического взаимодействия элементов ТС при трибологическом нагружении.

Каждый вид трибологического взаимодействия обусловливает присущее ему деформационно-напряженное состояние материала, степень активизации и последующее разрушение поверхности детали.

Одной из задач инженерной трибологии является: исследование взаимосвязи механических свойств сталей и износостойкости и прогнозирование ресурса узлов трибосопряжений в условиях абразивного изнашивания.

Механические свойства закаленной стали можно подразделить на две группы в соответствии с теми зависимостями, которым они следуют при отпуске: группа прочности (HRC, В, 0,2 и др.) и группа пластичности (, ) и ударной вязкости (KCU). При повышении температур tотп отпуска прочность стали снижается, а пластичность возрастает (рис.6).

В настоящее время оценка сопротивления изнашиванию выполняется одним из методов:

- лабораторные испытания;

- экспериментально-расчетный метод по критериальным Лабораторные трибологические испытания металла позволяют получить наиболее точные оценки по износостойкости, но требуют больших материальных затрат и времени.

При проведении лабораторных трибологических испытаний стремятся к соблюдению кинематического подобия натурного и модельного трибосопряжений. Поэтому в настоящее время созданы лабораторные установки для определения износостойкости материалов применительно к тормозным устройствам, опорам качения и др.

Второе направление в развитии лабораторных методов трибологических испытаний заключается в создании лабораторных методов испытаний, в которых воспроизводится тот или иной вид изнашивания (см.рис.5.).

трибологическом нагружении: : аскольжение; б- качение; в,г- удар; двоздействие потока абразивных частиц на Рис.6. Изменение механических свойств стали Д Экспериментально-расчетные методы оценки сопротивления металла изнашиванию предполагают получение статистических моделей износостойкости, которые позволяют получать данные по износостойкости расчетным путем, опираясь на свойства материала элементов трибосопряжения, называемых критериями износостойкости. При использовании экспериментально-расчетного метода оценки сопротивления металла изнашиванию возникает проблема выбора критерия износостойкости связанная с тем, что износостойкость является переменной и сложнозависимой величиной.

Критериями для оценки износостойкости сталей принято использовать отдельные механические свойства (твердость, предел прочности, сопротивление срезу и т.д.) или их комплексы. Следует отметить, что наиболее перспективными являются критерии износостойкости, объединяющие прочностные и пластические свойства стали.

Поэтому при оценке износостойкости сталей необходимо учитывать комплекс механических свойств металла, которые для сталей могут быть вычислены по эмпирическим зависимостям на основе стандартных механических характеристик.

Проанализировав современные методы исследования абразивной износостойкости сталей при скольжении по закрепленному абразиву, можно сделать следующие выводы о влиянии метода и условий испытаний на закономерности изнашивания материалов:

1. Изменение скорости скольжения при изнашивании в диапазоне 0,15 – 1,4 м/с не оказывает существенного влияния на износостойкость сталей и сплавов;

2. В диапазоне изменения удельной нагрузки 1-15 МПа наблюдается линейная зависимость между номинальной нагрузкой и величиной износа материалов;

3. Исследования необходимо проводить при твердости абразива выше твердости исследуемого материала;

4. Для получения стабильных результатов необходимо контролировать абразивность поверхности или проводить изнашивание по свежему следу абразивной поверхности.

Следовательно, с целью выявления закономерностей износа различных сталей достаточно провести испытания на изнашивание по режиму в указанном диапазоне удельной нагрузки и скорости скольжения. Ряд износостойкости сталей, полученный при этом для конкретных условий изнашивания на лабораторной установке, будет сохраняться в указанном интервале изменения условий изнашивания.

2.Методы оценки износостойкости сталей 2.1. Критерии оценки износостойкости В исследованиях по абразивной износостойкости сталей традиционным является оценка сопротивления стали изнашиванию по ее твердости, что правомерно, поскольку взаимодействие абразивной частицы на трибоконтакте с металлом при изнашивании и индентора – при определении твердости имеют много общих черт. Однако, взаимодействие абразивной частицы и металла заканчивается микроразрушением поверхности металла и отделением частиц износа, а при внедрении индентора имеет место лишь пластическая деформация металла. Поэтому положительное влияние на износостойкость сталей помимо твердости оказывают и другие механические характеристики металла группы прочности: предел прочности, предел текучести, сопротивление срезу и т.д.

Несмотря на то, что твердость (прочность) стали принято рассматривать в качестве критерия износостойкости, при исследовании выборки сталей однозначной взаимосвязи износостойкости и любой отдельно взятой характеристики прочности не наблюдается (рис.7).

Объяснение данному обстоятельству следует искать в механизме изнашивания стали абразивом (рис.8). Формирование частицы износа при микрорезании происходит в несколько этапов:

внедрение, пластическое оттеснение и контактное разрушение.

Сопротивление материала изнашиванию будет контролироваться его сопротивлением внедрению абразива под действием нормальной нагрузки и способностью деформироваться при тангенциальном перемещении внедрившейся частицы абразива.

При использовании такой феноменологической модели формирования контакта становится очевидным различие в воздействии на металл при измерении твердости и при изнашивании в форме микрорезания. При измерении твердости взаимодействие индентора с поверхностью металла завершается внедрением на глубину h. Величина h определяет величину твердости металла.

При трибологическом нагружении за этапом внедрения следует перемещение абразивной частицы по поверхности трения, во время которого частица абразива пропахивает поверхность металла.

Поэтому, при разработке критериев выбора сталей для условий абразивного изнашивания по механическим свойствам трибологические исследования целесообразно проводить таким образом, чтобы роль фактора внедрения абразива в поверхность трения была фиксирована, т.е. проводить изнашивание материалов разной твердости при постоянной глубине внедрения абразивной частицы в поверхность трения h= const (см.рис.8).

Практически это условие можно реализовать либо, проводя изнашивание сталей с удельным давлением, пропорциональным твердости изнашиваемого материала, либо введением поправочного коэффициента, названного коэффициентом внедрения, который нивелирует влияние на износ металла переменной глубины внедрения абразива в поверхность трения при исследовании сталей разной твердости (рис.9).

предпочтительным, поскольку позволяет проводить исследование износа сталей на имеющемся лабораторном оборудовании и, кроме того, позволяет использовать полученные ранее результаты многочисленных исследований абразивного изнашивания сталей и сплавов для анализа и построения статистических моделей.

Введение коэффициента внедрения стали проведем, приняв в качестве эталона сталь 45 в состоянии поставки, имеющую твердость HRC15. Твердость HRC выбрана не случайно, поскольку метод Роквелла является самым технологичным и универсальным методом определения твердости металлов и сплавов.

По определению, коэффициент внедрения Кh стали делает справедливым равенство здесь h, h - глубина внедрения абразива в металл твердостью HRCэт, HRCi.

Твердость по Роквеллу измеряется при поэтапном приложении нагрузки Р = Р1 + Р0 (рис.10). Р0 =10 кгс, Р1 =140 кгс. Численно твердость HRC выражают числом делений условной шкалы из формулы где h – остающаяся глубина внедрения наконечника в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р, определяемая после снятия основной нагрузки Р1; h0- глубина внедрения наконечника в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р0; С – постоянная, равная 0,002 мм.

Обозначив h –h0 = h, выразим глубину h для исследуемого металла HRCi и эталона HRCэт из (9) hi = (100 HRCi ) 0,002, мм, hэт = (100 HRCэт ) 0,002, мм (10) Рис.8. Феноменологическая модель формирования контакта в условиях микрорезания: 1 –этап внедрения абразивной частицы;

2- этап пластического оттеснения; 3- этап контактного Рис.9. Схема, обосновывающая необходимость введения коэффициента внедрения Кh стали Рис.10. Последовательность приложения нагрузки к индентору при измерении твердости по методу Роквелла Выразим коэффициент внедрения Кh стали, используя (8, 10) Учитывая принятое допущение HRCэт = 15, получим выражение для безразмерного коэффициента внедрения Коэффициент внедрения Кh зависит от твердости HRCi стали в исследуемом структурном состоянии, использование его в практических расчетах позволяет количественно оценить влияние первого этапа формирования контакта при микрорезании (рис.8).

С целью иллюстрации комплексного влияния прочности и пластичности сталей на их абразивную износостойкость традиционные зависимости «износостойкость-свойства» могут быть представлены в виде триады И (HRC) - (HRC) – И () (рис.11.). Из рис.11а видна вполне удовлетворительная связь износостойкости отдельно взятой стали с твердостью, в то время как разные стали одинаковой твердости при испытании на абразивное изнашивание показывают различную износостойкость. По-видимому, причина различия износостойкости сталей равной твердости может быть объяснена сложным характером напряженно-деформированного состояния металла на контакте с абразивом при изнашивании, когда внедрившаяся абразивная частица перемещается по поверхности изнашивания.

износостойкость проявляется при анализе других составляющих триады. Так сталь Д5 при равной твердости с другими сталями показывает повышенную износостойкость, поскольку имеет высокую пластичность (рис.11.б).

При пластическом оттеснении металла внедрившейся абразивной частицей, сопротивление стали разрушению будет определяться как уровнем прочности металла, так и запасом пластичности. Поэтому, для оценки сопротивления металла нагружению на втором этапе формирования контакта, целесообразно в качестве критерия сопротивления нагружению использовать комплексную характеристику механических свойств металла.

В качестве прочностной составляющей комплексного критерия используем предел прочности В, а в качестве деформационной составляющей – истинное удлинение е.

И,г- Рис.11. Триада вида « износостойкость – твердость – Использование истинного удлинения е позволяет учесть суммарное количество накопленной пластической деформации от момента первоначального нагружения металла до разрушения и определяется по формуле:

где - относительное сужение металла Для получения статистической модели износостойкости необходимо получить выборку экспериментальных значений износостойкости сталей ИЭ. С учетом феноменологической модели формирования контакта при микрорезании износостойкость представляется в виде где И* - приведенная износостойкость стали; Kh – коэффициент внедрения, определяемый по формуле (12) Приведенная износостойкость И* стали является показателем сопротивления стали изнашиванию при нормированной глубине внедрения абразива. Таким образом, И* характеризует сопротивление стали изнашиванию на этапе пластического оттеснения при формировании контакта. Критерием приведенной износостойкости является энергоемкость Е стали, определяемая как произведение предела прочности и истинного удлинения стали Статистическая обработка экспериментальной выборки проводится с целью получения уравнения регрессии в виде многочлена Объединяя (14) и (16) получаем уравнение регрессии, по которому износостойкость стали может быть определена расчетным путем В рамках экспериментальной выборки сталей были определены коэффициента регрессии а0, а1, а2 в (17). Получено следующее выражение для определения износостойкости сталей структурном состоянии, HRCi – твердость металла.

Графической интерпретацией корреляционной зависимости (18) является номограмма, изображенная на рис.12.

Номограмма износостойкости сталей при микрорезании построена в координатах «твердость-износостойкость» и представляет собой систему линий равной пластичности (изопласты). Данная номограмма хорошо согласуется с триадой износостойкости на рис.11.

Номограмма позволяет оценить возможный диапазон изменения износостойкости Иi сталей при варьировании критериев HRCi и i (табл.2). Границы варьирования твердости HRCi =20 – 60;

пластичности i = 10 – 90%. Из таблицы видно, что при уровне твердости 20HRC пластичность обеспечивает повышение износостойкости в 1,8 раза, а при уровне твердости 60HRC – в 16, раза.

Таким образом, пластичность наиболее эффективно влияет на износостойкость в высокопрочном состоянии. Естественно, пластичность = 90% при 60 HRC при существующем уровне технологии получения стали недостижима, однако, способы обработки, повышающие пластичность стали (рафинирующий переплав, ВТМО и др.) следует рассматривать как перспективные с точки зрения повышения износостойкости сталей.

Рис.12. Номограмма износостойкости сталей при микрорезании на контакте Износостойкость сталей при варьировании критериями HRCi, i 3.1. Трибомеханическая система как объект анализа Номенклатура трибосопряжений технических устройств чрезвычайно разнообразна (см. рис1.). однако, все трибосопряжения могут быть представлены обобщенно в виде трибомеханической системы (ТМС), состоящей из четырех взаимодействующих элементов (рис.13).

Основные элементы 1, 2 представляют собой твердые тела (валвтулка, профили контактирующих зубчатых колес и др.), которые находятся с силовом взаимодействии и перемещаются друг относительно друга.

Промежуточный материал 3 представляет собой некое «третье тело», которое образуется в процессе функционирования ТМС.

Наличие элемента 3 является особенностью трибомеханической системы, как продукта ее функционирования.

Окружающая среда 4 оказывает существенное влияние на закономерности протекания трибологических процессов, участвует в образовании элемента 3.

Количественно структура S ТМС описывается комплексом, состоящим из элементов А, свойств элементов Р и их взаимодействий R (рис.14).

Функция ТМС состоит в преобразовании входов {x} в выходы {Y}. Преобразование входов в выходы можно описать математическими уравнениями, физическими аналогами, статистическими методами.

Отличительной особенностью трибомеханической системы от обычных механических систем состоит в том, что в ТМС структура системы изменяется во времени, поскольку имеются потери энергии и материалов. Потери энергии изменяют свойства материалов элементов, а потери материала, проявляющиеся в изнашивании контактирующих элементов, изменяют условия контактирования.

Трибомеханические системы по функциональному признаку подразделяются на группы:

- для передачи энергии;

- для преобразования материалов;

- для передачи информации.

Элементы ТМС вступают во взаимодействие друг с другом.

Спектр взаимодействий характеризуется параллелограммом взаимодействий (рис.15).

Все взаимодействия в ТМС между собой взаимосвязаны, особенно это проявляется при коррозионно-механическом изнашивании.

Рис.13. Трибомеханическая система (ТМС) [16] Рис.14. Структура, входы, полезные выходы и потери в ТМС Для инженеров-механиков наибольший интерес представляет взаимодействие ‹1-2›. Взаимодействие ‹1-2› представляет собой изнашивание элементов 1, 2 ТМС. Взаимодействие ‹1-3›, ‹1-4›, ‹2-3›, ‹2-4› принято называть трибомеханическими реакциями между соответствующими элементами ТМС.

При трении происходит разрыхление материала. Отделение материала в виде частицы износа происходит при условии, что объем V разрыхляемого материала превысит некоторое критическое значение Vкр, т.е. V Vкр.

Величина Vкр зависит от уровня действующих напряжений и имеет вероятностный характер.

Мерой повреждения П при трении является отношение Повреждение при трении развивается во времени В общем случае функция Ф зависит от интенсивности напряжений, их изменений во времени и других параметров.

Износостойкость как способность материала сопротивляться изнашиванию определяется тремя действующими параметрами контактного взаимодействия: скоростью скольжения V, контактным давлением Р, контактной температурой.

Каждому виду изнашивания присущ конкретный диапазон варьирования параметров V, Р,, обеспечивающий оптимальное функционирование ТМС (рис.16).

трибосопряжения фиксируется в паспорте на оборудование Определение критических точек Акр = (Vкр, Pкр, кр) имеет первостепенное значение при регламентации режимных параметров в нормативных документах на продукцию машиностроения.

Современное состояние трибологии не позволяет аналитически оценивать критические значения режимных параметров трибосопряжения. Для их определения проводятся длительные и трудоемкие натурные испытания технических устройств.

Насущная задача инженерной трибологии состоит в разработке методик упрощенной оценки критических значений режимных параметров трибосопряжений.

Рис.15. Параллелограмм взаимодействий в ТМС:

Рис.16. Поверхность критических параметров: Р –контактное давление; V – скорость скольжения; – температура на контакте [4] 3.2. Статистические модели в расчетах трибосопряжений Процесс поверхностного разрушения материалов при трении носит стохастический (случайный) характер.

Поэтому величины Ih, f, определяемые в результате экспериментального исследования- есть статистические величины, а объем полученных экспериментальных данных – есть выборка.

Уравнения регрессии, полученные на основе обработки экспериментальных данных статистических величин, являются описанием статистических моделей.

Статистическая модель работает только в границах условий, для которых были получены экспериментальные данные. Более широкие обобщения по статистической модели требуют дополнительного обоснования.

В уравнениях, описывающих статистическую модель, коэффициенты регрессии – есть статистические величины.

Рассмотрим степенной закон изнашивания - некоторый варьирующий фактор m – показатель степени при факторе k - коэффициент, равный I при = Варьирующий фактор имеет статистические характеристики - среднее значение I, I – среднее значение и коэффициент вариации искомого параметра износостойкость В этом случае статистическая модель будет иметь вид Когда одновременно варьируют несколько коррелированных факторов 1, 2 …,р задача построения статистической модели существенно усложняется.

В инженерных расчетах скорость изнашивания определяется k- коэффициент износа (аналог скорости изнашивания) Vск – скорость скольжения; р – удельное давление;

трибосопряжений m =n = В зависимости = (V, p ) наибольшую трудность представляет собой определение величины k. Для этого нужно иметь специальную базу данных для разных трибосопряжений, набора материалов элементов ТМС, условий изнашивания, смазок.

Для сопряжения «вал-втулка» получено эмпирическое уравнение для интенсивности изнашивания где р – удельное давление, кг/см2 или МПа;

А, В – коэффициенты регрессии. Величина А и В зависит от материала вала, втулки и вида смазки (табл.П1).

трибосопряжения делятся на две группы:

I группа – сопряжения, для которых учитывается изменения формы и размеров обоих элементов ТМС (сопряжение «вал-втулка», сопряжения с линейным и точечным контактом).

II группа – сопряжения, для которых учитывается износ только одного из элементов ТМС (рабочее колесо насоса, колесо экипажа, исполнительный орган технологической машины и т.п.).

Для этой группы сопряжений основное внимание уделяется материаловедческим аспектам повышения износостойкости элемента ТМС (рациональный выбор материала).

Для химической отрасли характерны сопряжения «вал-втулка».

Это опоры скольжения, сальниковые уплотнения, шарниры втулочнороликовых цепей.

Опоры скольжения сухого и граничного трения встречаются в трибосопряжениях при малых скоростях скольжения. В большинстве случаев в этих опорах используется пластичная смазка (рис.17).

Для нормальной работы опоры необходим технологический зазор Взаимодействие вала и втулки происходит по некоторой площадке, характеризуемой углом охвата 20. Величина 0 зависит от размеров опоры, нагрузок и используемых материалов Для элементов опоры граничного трения используются разнообразные материалы.

Вал – в основном из стали 45, 40Х, 20Х, 38ХМЮА.

Используется упрочнение: закалка + отпуск; закалка ТВЧ;

цементация; азотирование.

Втулка – сталь, чугун, бронза, спеченные материалы на основе бронзы и железа.

В сопряжении надо различать среднее давление р на площадке контакта и максимальное Р контактное давление.

р и Рmax определяют из расчета параметров контактирования 3.3.1. Определение параметров контактирования Удельная нагрузка:

Безразмерные комплексы:

Формула Герца применима Формула Герца не применима В основу расчета срока службы сопряжения «вал-втулка»

положен степенной закон изнашивания (24), который применим в таком виде только для такого вида сопряжений.

Интенсивность изнашивания элементов сопряжения (24) Аi, Вi – коэффициенты регрессии, определяются материалом элементов ТМС (табл.П1).

При использовании степенного закона принимается допущение, что коэффициенты А, В и условия контактирования р в течении всего срока эксплуатации сопряжения остаются стабильными.

Расчет опоры сухого трения выполняется методом подбора материала элементов трибосопряжений из имеющейся базы данных.

Первоначально материалы выбираются по номинальному давлению Рном в опоре где F – нагрузка на опору, известны из предварительных расчетов элементов опоры на прочность; d·l = Апр – проекция опорной поверхности на горизонтальную плоскость.

При выборе материала элементов трибосопряжения следует учитывать - Рпред –предельное давление;

- технологические возможности реализации методов упрочнения (цементация, азотирование );

-дефицитность материалов (бронза).

Рmax 80С. Поэтому в опорах увеличивают зазор.

В этом случае возможна вибрация ротора. Для предотвращения вибрации используют специальную расточку вкладыша или специальную конструкцию опоры (вибростойкие опоры).

Расчет опоры состоит в проверке условия реализации режима жидкостного трения (25) hmin - минимальная толщина смазочного слоя (на линии центров); h - критическая величина зазора (26) RZ – высота неровностей на поверхности трения вала и вкладыша Для двухопорного вала Для расчета h необходимо знать конструктивные (, d) и режимные (F,, X) параметры опоры (27) Для определения относительного эксцентриситета х= е/ необходимо знать вязкость масла, а в конечном итоге температуру tM смазочного слоя.

Температура tM определяется из теплового баланса опоры подшипнике;

AQ, AД - количество тепла, отводимого смазкой и конвекцией, обычно Уравнение теплового баланса решается графически. При этом задаются рядом температур, перекрывающим искомую температуру.

Уравнение теплового баланса можно решать на ЭВМ, при этом используется итерационный метод последовательного приближения.

4.1. Получение статистической зависимости вида Исследовалась зависимость массового износа сталей 45, 40Х13, Р18 от твердости после термообработки.

Твердость определялась на приборе Виккерса, изнашивание – в условиях скольжения образца по поверхности шлифовального круга.

Величину износа определяли по потере массы образца взвешиванием на аналитических весах. В качестве значения твердости и износа принималось среднее арифметическое шести измерений. Получены следующие пары значений (HV, m) (табл.3).

Регрессионный анализ состоит в следующем:

1. Получить уравнения регрессии И = И(HV) для каждой марки стали и для всей выборки (n=22).

2. Проверить наличие корреляционной связи И = И(HV) в каждом случае.

3. Проанализировать полученные результаты.

1. Среднее арифметическое измерения Х отклонение) 3. Эмпирическое стандартное отклонение 4. Эмпирическая ковариантность 5. Коэффициент корреляции 6. Коэффициенты линейной регрессии