Виды и характеристики изнашивания

 

Результатом фрикционного взаимодействия твердых тел или твердого тела с потоком жидкости или газа является изнашивание - разрушение и отделение материала с поверхности твердого тела. Изнашивание проявляется в постепенном изменении размеров или формы твердого тела.

Количественно износ оценивается величинами линейного износа dh, объемного износа dV и массового износа dG. Процесс изнашивания характеризуется интенсивностью линейного изнашивания, J _h:

,                                                  (8.1)

где S — путь трения,

интенсивностью объемного изнашивания, J _V:

,                                                 (8.2)

 

интенсивностью массового изнашивания:

 

,                                                           (8.3)

 

Если в приведенных выражениях вместо пути трения подставить время изнашивания t, то получим значение скорости изнашивания:

 

,                                                   (8.4)

 

Тогда зависимость линейной и скоростной интенсивностей изнашивания выразится соотношением:

 

.                                                    (8.5)

 

где v — скорость перемещения при скольжении или качении.

Интенсивность изнашивания деталей машин трения J_h изменяется в пределах от 10^-3 до 10^-12. Устанавливаются десять классов износостойкости — от 3 до 12 класса включительно, причем нижняя граница износостойкости в каждом классе не включается в его состав.

В зависимости от вида и характера фрикционного взаимодействия различают следующие виды изнашивания: абразивное; гидроабразивное; газоабразивное; эрозионное; гидроэрозионное; газоэрозионное; кавитационное; электроэрозионное; адгезионное; усталостное; коррозионно-механическое; окислительное; фреттинг, фреттинг-коррозия.

В конкретных условиях эксплуатации возможно проявление одновременно нескольких видов изнашивания. Однако, всегда можно выделить один вид, который вносит основной вклад в интенсивность изнашивания трибосопряжения.

Изнашивание является нежелательным в технике, определяющим ресурс работы изделия.

 

Абразивное изнашивание

 

Абразивное изнашивание относится к наиболее интенсивным видам механического разрушения поверхности, возникающим в результате режущего или царапающего действия на нее твердых час­тиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

Характерным условием абразивного изнашивания является меньшая твердость поверхности твердого тела по отношению к абразиву — изнашивающим частицам минерального происхождения, шероховатости сопряженной поверхности, частицам износа и т.д.

Наиболее распространенным абразивом является обычно кварцевый песок, который входит в состав грунтов, почв и пыли и является главным агентом, вызывающим износ многих деталей. Абразивными частицами могут быть окалина, структурные составляющие одного из сопряженных тел, продукты износа.

Основным признаком картины изнашивания поверхности трения является наличие на ней хорошо различимых рисок в виде мелких царапин и углублений различной протяженности, но всегда ориентированных в направлении движения абразива по отношению к материалу или материала по отношению к абразиву.

Образование рисок и углублений на поверхности трения имеют двоякое происхождение: они образуются в результате среза металла в виде микростружки, когда материал достаточно твердый и малопластичный, или это след абразивной частицы, образованный вытеснением материала в отвалы риски, когда резание не происходит из-за высокой пластичности. Вытеснение материала в отвалы — первый этап разрушения абразивными частицами. При движении соседних абразивных частиц вблизи ранее образованных отвалов на боковых поверхностях риски происходит вторичное передеформирование и переориентация материала отвалов в сторону риски или его окончательное отделение от поверхности изнашивания путем одновременного разви­тия различных деформаций.

Зависимость для оценки объема износа, V:

 

.                                             (8.6)

 

где N - нормальная нагрузка;

S - путь трения;

Н - твердость истираемого материала;

α - размер абразивного зерна;

с - коэффициент, зависящий от абразивных свойств истирающей поверхности, условий взаимодействия, контактирующих тел, кинематики движения и закрепления абразива, остроты ребер абразива.

Процесс абразивного изнашивания наблюдается не только у металлов и сплавов, но и у неметаллических материалов. В особенности подвержены действию абразива полимеры, у которых когезионная прочность меньше чем у большинства контактирующих с ними триботехнических материалов. Как и для металлов, полимерным материалам свойственно увеличение интенсивности изнашивания с ростом размера аб­разивных частиц. Однако, абразивная износостойкость полимерных материалов уменьшается с ростом их модуля упругости в отличие от металлов, где имеет место обратная зависимость.

В натурных условиях работы оборудования при абразивном изнашивании реализуются различные схемы внешне-силового воздействия абразива. В зависимости от вида трения систематизировано абразивное изнашивание при трении скольжения, трении качения, соударение материала с абразивом, особо выделяется взаимодействие материала с абразивом при движении деталей и инструмента в потоке частиц абразива, несомых воздухом или жидкостью.

Гидроабразивное и газоабразивное изнашивание, происходящее в результате действия движущихся твердых частиц, увлекаемых потоком газа или жидкости, имеют много общего. Износ зависит от скорости удара частиц и угла наклона вектора этой скорости к поверхности изнашиваемой детали (угла атаки). Кроме того, на величину износа влияет концентрация абразивных частиц, их форма, твердость, динамическая прочность, а также физико-механические свойства изнашиваемых материалов, а также температура среды и ее кислотность.

Интенсивность массового изнашивания J _G для этих видов абразивного изнашивания связана со скоростью частиц v зависимостью:

 

,                                               (8.7)

 

где К - коэффициент, зависящий от свойств изнашиваемого и абразивного материала, а также угла атаки;

m - показатель степени, зависящий от вида изнашиваемого материала. Для v < 100 м/с величина т составляет для стали Ст3 - 2,3; для закаленной стали 45 - 2,5; для белого чугуна - 2,8; для базальта - 2,9. Зависимость износостойкости от угла атаки в большинстве случаев выражается кривой с минимумом, соответствующим критическому углу атаки. Величина угла атаки для хрупких неметаллических материалов близка к 90°, а для металлических сплавов -  уменьшается по мере повышения их пластичности и составляет для мягкой стали - 30°-40°, для закаленной - 50°-70°.

 

2.3. Метод определения коэффициента трения

 

ГОСТ 11629-75 «Метод определения коэффициента трения» распространяется на пластмассы и устанавливает метод определения коэффициента трения пластмасс путем скольжения образцов по стальной плоскости контртела без смазки. Метод предназначен для исследовательских испытаний. Стандарт не распространяется на ячеистые и пленочные пластмассы и не применим для расчета изделий, работающих в узлах трения.

ГОСТ 426-77 «Метод определения сопротивления истиранию при скольжении» распространяется на резину и резиновые изделия и устанавливает метод определения сопротивления истиранию при скольжении. Сущность метода заключается в истирании образцов, прижатых к абразивной поверхности вращающегося с постоянной скоростью диска, при постоянной нормальной силе и определении показателей сопротивления истиранию или истираемости.

Для испытаний согласно ГОСТ 11629-75 применяют образцы следующих форм и размеров:

- брусок квадратного сечения (10,0±0,5)х(10,0±0,5) мм, высотой 10,0-20,0 мм;

- брусок прямоугольного сечения (4,0±0,5)х(6,0±0,5) мм, высотой 10,0-20,0 мм; цилиндр диаметром (10,0±0,5) мм, высотой 10,0-20,0 мм;

- цилиндр диаметром (5,0±0,5) мм, высотой 10,0-20,0 мм.

Образцы для испытаний согласно ГОСТ 426-77 по форме и размерам должны соответствовать рисунку 8.1. Допускается применять образцы высотой (10,0 ± 0,2) мм. Образцы вулканизуют в пресс-формах.

Рисунок 8.1 - Образец для испытания на трение

 

На испытуемой поверхности образцов из полимера не должно быть раковин, сколов, пор, заусенцев, вздутий и других дефектов, видимых невооруженным глазом.

Коэффициента трения согласно ГОСТ 11629-75 и сопротивление истиранию при скольжении согласно ГОСТ 426-77 определяют с помощью машины для испытания на истирание МИ-2 (рис. 8.2).

 

а

 

б	в
Рисунок 8.2 - Машина для испытания на истирания МИ-2: а – схема испытательной машины МИ-2; б и в – испытательная машина МИ-2 (модификация 2101ТП для пластмасс)

 

На станине 1 (рис. 8.2) укреплен асинхронный двигатель трехфазного тока мощностью 1 кВт, 2, который через червячный редуктор 3, приводит во вращение полый вал 4, с насаженным на него диском 5. На диск 5 устанавливается абразивная шкурка 6, вырезанная в виде кольца с наружным диаметром 170 мм и внутренним диаметром 50 мм. Крепление абразивной шкурки 6 к диску 5 осуществляется шайбой, которая прижимается болтом, ввинчиваемым в осевое отверстие диска.

Неравноплечий рычаг 7 несет на себе две зажимные рамки 8 толщиной 3 мм, в которые помещаются держатели с образцами. При помощи винтов 9 держатели с образцами зажимаются рамками на рычаге. Посередине между зажимными рамками на рычаге 7 укреплен грузовой стержень 13, который проходит через полый вал 4 и служит для прижима рычага 7 с образцами к абразивной шкурке 6. Расстояние между центром каждого образца и осью стержня равно 68 мм. Прижим осуществляется грузом 11, подвешенным к стержню 13 при помощи стального троса, перекинутого через ролик 12. Длинное плечо рычага 7 имеет на конце отверстие для подвешивания уравновешивающего груза 10, служащего для удержания плеча в горизонтальном положении при вращении абразивной шкурки.

Для уменьшения колебаний рычага во время работы машины допускается пользоваться демпфером.

Потери на трение в самой испытательной машине учитываются постоянной величиной, способ определения которой обусловливается конструкцией машины.

Установка числа циклов взаимодействия поверхностей трения или числа оборотов диска 5 производится счетчиком 14. Счетчик имеет два рычага с маркировкой “Д” и “У”. При повороте рычага “У” необходимое число оборотов диска набирается нажатием соответствующих кнопок, расположенных у соответствующего цифрового разряда.

После установки числа оборотов диска рычаг “У” возвращается в исходное положение и поворачивается рычаг “O’” при этом проис­ходит обнуление счетчика. При включении машины счетчик производит подсчет числа оборотов диска и при достижении набранного ранее значения автоматически отключает машину. Для повторного запуска машины следует снова произвести обнуление счетчика рычагом “О”.

Технические характеристики машины для испытания на истирания МИ-2 представлены в таблице 8.1.

 

Таблица 8.1

Технические характеристики машины для испытания на истирания МИ-2

	ГОСТ 426-77	ГОСТ 11629-75
Число одновременно испытываемых образцов, шт.	2	2
Число оборотов рабочего диска, об/мин	40±5	40±5
Диаметр центров крепления образцов, мм.	136	136
Скорость скольжения образцов (по их центру), м/сек.	0,3±0,05	0,3±0,05
Поджимной груз, грамм.	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1600, 2600	10, 20, 50, 100, 200, 500, 1600, 2600 -2 шт
Установка требуемого времени отсчета и соответственно числа оборотов диска.	По реле времени
Обдув истираемой поверхности диска воздухом давлением, кгс/см².
Потребляемая мощность, кВт.	0,4	0,4
Напряжение, В.	220	220
Частота, Гц.	50	50
Габаритные размеры мм., не более	740х405х400	740х405х400
Масса, кг.	50	50