Енциклопедія трибології - Зношування твердих тіл

Процес зношування деталей машин протікає в три стадії, що різняться між собою інтенсивністю і темпом зміни таких фундаментальних характеристик процесу, що розглядається, як накопичений знос (І), швидкість зношування (Vі) і інтенсивність зношування (I).

Ця закономірність процесу зношування показана на рис.1, на якому представлена залежність зазначених характеристик, а також частоти відмов трибосполучень m та інтенсивності відмов λ від тривалості зношування.

Рис.1. Залежність зносу І тертьових тіл (крива Лоренца), швидкості зношування Vі, частоти відмов спряжень m, що труться, і інтенсивності відмов λ від тривалості зношування τ: I — стадія приробітку; II - стадія зношування; III - стадія катастрофічного зношування (за В.А. Зорін).

У загальному випадку процес зношування деталей машин за постійних умов проходить у три стадії. На стадії I здійснюється процес опрацювання, тобто. зміни геометрії поверхні тертя та фізико-хімічних властивостей матеріалу. Напрям цих змін визначається принципом Ле Шательє-Брауна, відповідно до якого будь-яка система під зовнішніми впливами еволюціонує у бік максимального ослаблення зазначених впливів. В результаті адаптації системи до умов навантаження в поверхневих шарах тіл, що труться, утворюються такі структури, такий макро- і мікрорельєф, які, поряд з формуванням у процесі приробітку на поверхнях тертя вторинних структур різного походження, забезпечують мінімізацію енергетичних витрат на тертя і локалізацію зони фрикційного руйнування в тонкому поверхневому шарі. У процесі приробітку, що характеризується досить високою, але швидкістю зношування, що знижується в часі, і швидким збільшеннямнакопиченого зносу (див. рис.1), встановлюється певна для даної трибосистеми шорсткість, яка залежить від тертьових тіл і мастильних матеріалів, а також від умов зношування (навантаження, швидкості, температури, умов змащування і т.д.). Вона може бути як більшою, так і меншою за вихідну (рис.2). І.В. Крагельський називає таку шорсткість рівноважною (відтворюється у всьому наступному процесі на стадії стаціонарного зношування). Природно, її досягнення призводить до зниження швидкості зношування Vі, а також коефіцієнта тертя та тепловиділення при терті.

Рис.2. Вплив часу приробітку на висоту нерівності Hср (пари тертя сталевий вал - бронзовий вкладиш): 1 - Hср = 5,4 мкм; 2 - Hср = 0,5 мкм (тертя за бронзовими вкладишами).

Формування рівноважної шорсткості, згідно І.В. Крагельського, представлено на рис.3. Для дуже гладких поверхонь (мала висота нерівностей поверхні) визначальну роль їх взаємодії при терті грають адгезійні процеси. Внаслідок цього поверхні схоплюються, зварюються, адгезійні сполучення руйнуються, поверхні ушкоджуються, що призводить до утворення більш високих мікронерівностей на поверхні, що забезпечують мінімізацію адгезійних процесів, тобто. перехід до правої частини рис.3. Тут висота нерівностей дуже велика і основну роль зношуванні грають деформаційні процеси. Мікронерівності зрізуються, зношуються та зменшуються до величини, при якій мінімізується деформаційна складова процесу. Надалі відтворення рівноважної шорсткості забезпечується шляхом поперемінного набуття чинності адгезійних та деформаційних процесів.

Рис.3. Формування рівноважної шорсткості (за І.В. Крагельським).

Після завершенняутворення рівноважної шорсткості і оптимальних для даного сполучення структур поверхневих шарів тіл, що труться, починається процес встановив зношування (стадія II на рис.1), При цьому величина Ih постійна і досить невелика. Проте поступове накопичення зносу через певний період призводить до настільки значної зміни розмірів і форми деталей, що умови роботи вузла тертя значно погіршуються. Так, збільшення зазорів у сполученнях внаслідок зносу складових елементів призводить до зростання динамічних навантажень. Настає перехід до третьої стадії зношування - катастрофічного зношування (стадія III на рис.1). Швидкість зношування різко зростає, суттєво збільшується накопичений знос, і небажані явища у системі множаться. З рис.1 також видно, як на цій стадії різко збільшується частота відмов парування, що труться, тобто. збільшується ймовірність виходу з ладу вузла тертя.

Граничний і допустимий знос. Оскільки вихід з ладу вузлів тертя обумовлений зношуванням їх робочих елементів, для різних деталей можна встановити характерний для них граничний знос. Граничним називають зношування, що відповідає граничному стану зношуваного виробу або його складової частини. При цьому величина граничного зношування для різних сполучень може бути різною. Так, для плунжерної пари навіть невелике зношування вже призводить до витоку рідини, що перевищує певну межу, або до порушення чіткості роботи агрегату. Для підшипникової пари граничне зношування обмежується допустимим рівнем вібрацій валу і т.д. Зношування, при якому виріб зберігає працездатність, називається допустимим (він завжди менше граничного).

Характеристика основних видів зношування.

Для того, щоб ефективнокерувати процесами зміни технічного стану машин та обґрунтовувати заходи, спрямовані на зниження інтенсивності зношування деталей машин, слід визначати у кожному конкретному випадку вид зношування поверхонь. І тому необхідно задати такі характеристики: тип відносного переміщення поверхонь (схему фрикційного контакту); характер проміжного середовища (вид мастильного матеріалу або робочої рідини); основний механізм зношування.

На вигляд проміжного середовища розрізняють зношування при терті без мастильного матеріалу, з мастильним матеріалом, з абразивним матеріалом. Залежно від властивостей матеріалів деталей, мастильного або абразивного матеріалу, а також від їх співвідношення у сполученнях у процесі роботи виникають руйнування поверхонь різних видів.

Відповідно до взаємодій, що надають найбільший вплив на трибологічний процес, види зношування можна розбити на такі групи:

Механічне - зношування внаслідок механічних впливів. До цієї групи видів зношування відносяться абразивне (зокрема газо- та гідроабразивне, ударно-абразивне, ерозійне, кавітаційне та втомне зношування).
Молекулярно-механічне - зношування в результаті одночасного механічного впливу та дії молекулярних чи атомних сил. До цієї групи належать зношування при заїданні та фреттинг-процес, а також помірне адгезійне зношування.
Корозійно-механічне - зношування, внаслідок одночасного механічного впливу, що супроводжується хімічною та (або) електричною взаємодією матеріалу з середовищем. До цієї групи видів зношування відносять власне корозійно-механічне зношування, окисне зношування, фреттинг-корозію.
Водневе зношування - процес руйнування металевих елементів пари тертя при фрикційному процесі, що ініційується проникненням водню в поверхневі шари металу.
Зношування при дії електричного струму (електроерозійне зношування) - це зношування поверхні внаслідок впливу розрядів при проходженні електричного струму. Цей вид зношування спостерігається при терті електричних контактів, струмознімачів і т.д.
Зношування внаслідок залишкових деформацій тіл, що труться (зминання) полягає в зміні розмірів або форми робочих елементів деталей вузла тертя в результаті пластичної деформації її мікрооб'ємів. Викликається або надмірними напругами, або випадковими значними навантаженнями, або ударами. Характерно для шпонкових пазів, шліцевих та різьбових з'єднань, рейок, бандажів коліс тощо.

У реальних умовах роботи пар машин спостерігаються одночасно кілька видів зношування. Однак, як правило, вдається встановити провідний вид зношування, що лімітує довговічність деталей, і відокремити його від інших супутніх видів руйнування поверхонь, які незначно впливають на працездатність сполучення.

Механізм провідного виду зношування визначають шляхом вивчення зношених поверхонь. Спостерігаючи характер прояву зносу поверхонь тертя (подряпини, тріщини, фарбування, плівки оксидів) і знаючи показники властивостей матеріалів деталей і мастильного матеріалу, а також дані про наявність і характер абразиву, інтенсивність зношування та режим роботи сполучення, можна досить точно визначити вид зношування сполучення та розробити заходи щодо підвищення довговічності машини.

Доценко О.І., Буяновський І.А. / Основи триботехніки. Підручник - М:Інфра-М, 2014.
А. В. Чичінадзе, Е. Д. Браун, Н. А. Буше та ін; За заг. ред. А. В. Чичінадзе. / Основи трибології (тертя, знос, мастило). 2-ге вид. переробок, та дод. - М: Машинобудування, 2001.