Методы измерения износа деталей и сопряжений

Цель работы: ознакомится с основными закономерностями изнашивания деталей и сопряжений, получить представление о существующих методах измерения изнашивания.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

1.1. Основные понятия и определения

 

В соответствии с ГОСТ 23.002-78 изнашиванием называют процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Основными количественными характеристиками изнашивания является износ, скорость изнашивания, интенсивность изнашивания.

Износ – результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Износ (абсолютный или относительный) характеризует изменение геометрических размеров (линейный износ), массы (весовой износ) или объема (объемный износ) детали вследствие изнашивания и измеряется в соответствующих единицах.

Различают предельный и допустимый износ. Предельным называют износ, соответствующий предельному состоянию изнашивающегося изделия или его составной части. Допустимым называют износ, при котором изделие сохраняет работоспособность. Допустимый износ всегда по абсолютной величине меньше предельного и соответствует предельному состоянию объекта.

Скорость изнашивания V_И (м/ч, г/ч, м³/ч) – отношение износа U к интервалу времени τ, в течение которого он возник:

 

.                                             (2.1)

 

Интенсивность изнашивания J – отношение износа к обусловленному пути L, на котором происходило изнашивание, или объему проделанной работы:

.                                               (2.2)

 

При линейном износе интенсивность изнашивания является безразмерной величиной, а при весовом – измеряется в единицах массы, отнесенной к единице пути трения.

Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения характеризуется износостойкостью – величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания, в соответствующих единицах.

В процессе работы машины показатели изнашивания деталей и сопряжений не сохраняют постоянных значений. В начальный период работы, называемый периодом приработки, наблюдается довольно быстрый износ деталей (рис. 2.1, участок I). Продолжительность этого периода обусловливается качеством поверхностей и режимом работы механизма и составляет обычно 1,5-2% ресурса узла трения. После приработки наступает период установившегося режима изнашивания(рис. 2.1, участок II), определяющий долговечность сопряжений. Третий период – период катастрофического изнашивания (рис. 2.1, участок III) – характеризует предельное состояние механизма и ограничивает ресурс. Как видно из приведенных на рисунке 2.1 графиков, процесс изнашивания оказывает прямое, определяющее влияние на возникновение отказов и неисправностей узлов трения машин. Изменение показателей надежности во времени идентично изменению показателей изнашивания. Более высокая крутизна кривых  и  на участке II объясняется тем, что с наработкой возникают отказы, вызванные, помимо износа, усталостным, коррозионным разрушением или пластическими деформациями.

Приработкой называют процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания. Процесс приработки характеризуется интенсивным отделением с поверхностей трения продуктов износа, повышенным тепловыделением и изменением микрогеометрии поверхностей.

Рисунок 2.1 - Изменение параметров сопряжения в процессе работы: 1 - износа U; 2 - скорости изнашивания Vи; 3 - частоты отказов m; 4 - интенсивности отказов λ; 5 - затрат на поддержание работоспособности С

Повышение температуры поверхностей трения вызывает изменение физико-механических свойств поверхностных слоев материала. Изменение структуры и свойств металлов в поверхностных слоях деталей происходит также вследствие наклепа, вызванного пластическими деформациями микрообъемов материала рабочей поверхности в процессе приработки. Интенсивное разрушение выступов, обладающих наименьшей прочностью, образование новых неровностей, отличных по форме и размерам от исходных, а также изменение формы остальных, ранее существовавших неровностей в процессе приработки, ведет к изменению микрогеометрии поверхности.

В разных условиях и различных парах трения после приработки всегда устанавливается одинаковая, так называемая «равновесная» шероховатость, характерная для определенных материалов. Равновесная шероховатость воспроизводится в процессе изнашивания поверхностей и остается в среднем постоянной. Исходная микрогеометрия поверхностей трения не оказывает влияния на равновесную шероховатость, как это видно из рисунка 2.2.

 

Рисунок 2.2 - Графики изменения микрогеометрии рабочих поверхностей деталей сопряжения «сталь 45 – бронза СН–5–5» в процессе приработки τ, ч, в условиях трения со смазочным материалом при различной начальной шероховатости R_Z, мкм, (р = 3 МПа; V = 5 м/с)

 

При правильном выборе соотношения твердости деталей и режимов приработки довольно быстро наступает период так называемого нормального, или установившегося изнашивания (рис. 2.1, участок II). Этот период характеризуется небольшой, примерно постоянной, интенсивностью изнашивания и продолжается до тех пор, пока изменения размеров или формы деталей не повлияют на условия их работы, или до наступления предела усталости материала.

Накопление изменений геометрических размеров и физико-механических свойств деталей ведет к ухудшению условий работы сопряжения. Основным фактором при этом является повышение динамических нагрузок вследствие увеличения зазоров в трущихся парах. В результате наступает период катастрофического, или прогрессивного изнашивания (рис. 2.1, участок III).

 

Виды изнашивания

Для того чтобы эффективно управлять процессами изменения технического состояния машин и обосновывать мероприятия, направленные на снижение интенсивности изнашивания деталей машин, следует определять в каждом конкретном случае вид изнашивания поверхностей. Для этого необходимо задать следующие характеристики:

– тип относительного перемещения поверхностей (схему фрикционного контакта);

– характер промежуточной среды (вид смазочного материала или рабочей жидкости);

– основной механизм изнашивания.

В сопряжениях машин существуют четыре типа относительного перемещения рабочих поверхностей деталей:

– скольжение;

– качение;

– удар;

– осцилляция.

Осцилляцией называется перемещение, имеющее характер относительных колебаний с малой амплитудой (в среднем 0,02 – 0,05).

По виду промежуточной среды различают изнашивание при трении:

– без смазочного материала;

– со смазочным материалом;

– с абразивным материалом.

В зависимости от свойств материалов деталей, смазочного или абразивного материалов, также от их соотношения в сопряжениях в процессе работы возникают разрушения поверхностей различных видов. Изнашивание по ГОСТ 23.002–78 разделяют на следующие виды:

– механическое (абразивное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидрои газоэрозионное, кавитационное усталостное, при заедании, при фреттинге);

– коррозионно-механическое (окислительное, изнашивание при фреттинг коррозии);

– при действии электрического тока (электроэрозионное).

Механическое изнашивание возникает в результате механических воздействий на поверхность трения.

Коррозионно-механическим называют изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим воздействием материала со средой.

Электроэрозионным называют эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. В дорожно-строительных машинах этот вид изнашивания встречается в элементах электрооборудования: генераторах, электромоторах, а также электромагнитных пускателях.