Зношування і зносостійкість металів. Розрахунок на зношування конічних поверхонь

1. Зношування і зносостійкість металів

Різновидом втомного руйнування є зношування - руйнування і відділення матеріалу з поверхні твердого тіла або накопичення залишкової деформації при терті, що виявляються в поступовій зміні розмірів і (або) форми тіла. Знос - результат зношування, визначуваний у встановлених одиницях, а Зносостійкість-здатність матеріалу чинити опір зношуванню, оцінювана величиною зворотній швидкості або інтенсивності зношування (ГОСТ 23.002-78).

Загальна схема зношування показана иа мал. 1. Основний (3) і зв'язаний (/) матеріали складають робочу пару. Між ними знаходиться проміжна речовина 2. При відносному переміщенні контактуючих матеріалів виникає сила тертя F - реакція що перешкоджає взаємному переміщенню. Коефіцієнт тертя , де N - нормальна складова зовнішньої сили, що діє на контактну поверхню. Проміжна речовина може зменшувати (мастило) або збільшувати коефіцієнт тертя і відповідно зношування.

Значна частина відмов машин відбувається в результаті зношування поверхонь що труться. Тому випробування на знос широко поширені, а підвищення зносостійкості металевих матеріалів є важливою науково-технічною проблемою.

2. Види зношування

Різновиди зношування:

Механізм і величина зносу залежать від великого числа чинників, які умовно можна об'єднати в три групи:

1) зовнішні механічні дії: характер руху контактуючих тіл (треиие ковзання, кочення, удари, течія), величина зовнішнього навантаження, швидкість переміщення і похідна від них температура;

2) физико-хімічна дія середовища;

3) властивості матеріалів пар тертя.

Залежно від сукупності цих чинників спостерігаються багаточисельні види зношування, які можна класифікувати по різних ознаках. Можна поділити всі різновиди зношування на дві великі групи. У першій відбувається стаціонарний процес нормального тертя і зношування, а другій групі присутні різні явища пошкодження при терті. Види зношування можна класифікувати таким чином (табл._1.1)

Рис.1 Схема зношування

Таблиця 1.1. Класифікація видів зношування

Найбільш поширеним різновидом зношування є нормальне окислювальне зношування, що йде за наявності на поверхні тертя захисних плівок, що утворюються при взаємодії контактуючих матеріалів з киснем. Ці плівки можуть мати і не кисневе походження, якщо проміжна речовина містить інші агресивні компоненти, наприклад азот.

Для всіх різновидів нормального зношування характерні інтенсивна пластична деформація тонких поверхневих шарів, їх взаємодія з хімічно активними компонентами проміжної речовини і руйнування цих поверхневих шарів за відсутності руйнування усередині основного металу. Для нормального зношування характерні три стадії (рис.2). На першій (1), так званій стадії прироблення, зменшується швидкість зносу. Це пояснюється усуненням нерівномірностей на поверхні;

На другій Рис.2. крива зносу стадії (2) швидкість зносу постійна, це стале зношування, де можна прогнозувати величину зносу і враховувати його при визначенні розмірів деталі. Нарешті третя стадія (3) характеризується прискоренням зносу по експоненті. В умовах експлуатації перехід до цієї стадії наводить до швидкого виходу деталі з ладу.

Рис.2 Крива зносу

Нормальне зношування є неминучим і відносно малонебезпечним процесом. Зусилля конструкторів направлені на те, аби у всіх парах тертя забезпечити нормальне зношування, бо всі останні різновиди зношування викликають недопустимі пошкодження поверхні і основного матеріалу.

Так схоплювання I роду (холодний задир) відбувається при терті ковзання з малими швидкостями відносного переміщення і питомими навантаженнями, що перевищують межу текучості на контактних ділянках за відсутності мастила. У цих ділянках контактуючі матеріали «зварюються», деформуються і руйнуються з відділенням часток металу або їх налипанням на поверхню контакту.

Схоплювання II роду (гарячий задир) спостерігається при терті ковзання з великими швидкостями і навантаженнями. Це наводить до значного підвищення температури в зоні контакту і відповідного підвищення пластичності контактуючих матеріалів. При виникненні локальних металевих зв'язків відбувається деформація. і руйнування з освітою тріщин, «намазувань», перенесення металу і відділенням часток з поверхні тертя.

Фретииг-процесс руйнування поверхні тертя з утворенням ямок характерний для випадку додатка навантаження з малими зворотно-поступальними переміщеннями.

При абразивних пошкодженнях, на відміну від окислювальної форми нормального абразивного зношування, абразивні частки упроваджуються і руйнують поверхневі об'єми основного металу, інколи із зняттям мікростружки. Абразивне пошкодження може виникати в широкому діапазоні зовнішніх механічних дій, часто вона супроводить іншим видам зношування. Контактна втома - это накопичення пошкоджень і руйнування поверхневих шарів під дією циклічних контактних навантажень. Зазвичай вона виявляється при терті кочення (у підшипниках кочення, зубчастих зачепленнях). Для контактної втоми, окрім утворення тріщин, характерна наявність на поверхні ямок вифарбовування (питтингов).

Окрім пошкоджень, обумовлених тертям, часто виникають пошкодження, пов'язані з тертям побічно: кавітація, корозія, ерозія, зім'яло і ін.

Незалежно від вигляду зношування, кожен з них можна розглядати як результат втоми. Таке уявлення про природу зношування базується на наступних положеннях: 1) контакт двох тіл нз-за шорсткості і хвилястості їх поверхні завжди дискретний; 2) зношування відбувається в результаті дії локальної напруги н деформації в зонах фактичного контакту; 3) руйнування металу в окремих ділянках поверхні тертя обумовлене багатократним вантаженням зон контакту.

3. Розрахунок на зношування конічних поверхонь

Розглянемо розрахунок на зношування спряжень прикладі конічних поверхонь (рис. 3.1).

3.1. Відправні дані: схема спряження - рис. 3.1

осьове навантаження ;

частота обертання ;

конструктивні параметри спряження , , .

Рис. 3.1. Схема спряження конічних поверхонь

Послідовність розрахунку:

3.2. Характеристика спряження за умовами зношування

Дане спряження належить до І типу спряжень, оскільки рухома деталь переміщується у незношуваних (або малозношуваних) напрямних, які визначають напрям (х-х) можливого зближення елементів спряження. Тому зношування спряження можна охарактеризувати одним параметром - відносним зближенням зношуваних деталей 1 і 2 в напрямі х-х.

Окрім цього, дане спряження належить до 1-ої групи класифікації спряжень за умовами їх зношування.

3.3 Визначення законів зношування спряжених деталей

Закони зношування деталей спряження 1-ої групи мають вигляд:

(3.1)

(3.2)

де , - швидкості зношування матеріалів деталей спряження;

, - коефіцієнти зношування матеріалів деталей спряження;

- тиск на поверхні тертя;

- швидкість відносного ковзання деталей спряження;

, - показника степенів при .

3.4 Визначення характеру епюри тисків на поверхні тертя спряжених деталей

Характер епюри тисків на поверхні тертя спряжених деталей встановлюємо, виходячи з прийнятих закономірностей зношування (3.1), (3.2). Початок координат розмістимо у вершині конуса, а вісь “У” - спрямуємо по одній із твірних (рис. 3.1).

Швидкість відносного ковзання в даній точці поверхні тертя (рис. 3.2) дорівнює:

, (3.3)

де - поточний радіус .

Рис. 3.2. Схема зношування конічних поверхонь

Із рис. (3.2)

, (3.4)

Із врахуванням (3.3) (3.4) набуде вигляду:

, (3.5)

Підставимо вираз (3.5) у емпіричні залежності (3.1), (3.2):

(3.6)

(3.7)

Запишемо умову дотику спряжених поверхонь:

(3.8)

Прийнявши і підставляючи (3.6), (3.7) у (3.8), отримаємо:

(3.9)

Із (3.9) визначаємо тиск :

(3.10)

де “” - поточна координата точки, що розглядається.

Проаналізувавши залежність (3.10), робимо висновок, що значення тиску ”” залежить від “”, тобто нерівномірно розподілений по поверхні тертя, і в осьовому перерізі має вигляд степеневої гіперболи.

3.5 Розрахунок швидкості зношування спряження

Для розрахунку значення знаходимо залежність між силою і тиском , розподіленим по поверхні тертя :

,(3.11)

де , .

Підставляючи у вираз (3.11) значення із (3.10), інтегруючи і розв'язуючи рівняння відносно , одержимо:

(3.12)

Залежність (3.12) виражає залежність швидкості зношування спряження від заданих параметрів , , , , і . Отже, значення є сталим для даних умов, а зношування спряження лінійно змінюється у часі.

Чисельні значення епюри тисків на проверхні тертя можна отримати, якщо у формулу (3.10) підставити значення із (3.12).

3.6 Визначення форми зношуваної поверхні

Лінійне зношування і в кожній точці поверхні, тобто форма зношуваної поверхні, може бути визначена підстановкою значень із (3.10) в закони зношування (3.1), (3.2), врахувавши:

, (3.13)

. (3.14)

Після перетворень отримаємо

, (3.15)

. (3.16)

де визначаємо за формулою (3.12).

Оскільки і від не залежать, зношування при даних законах рівномірно розподілене по поверхнях тертя.

4. Розрахунок на зношування конічних поверхонь

4.1. Відправні дані:

4.1.1. Схема спряження - рис. 3.1;

4.1.2. Осьове навантаження Н;

4.1.3. Частота обертання хв^-1;

4.1.4. Параметри зношування матеріалів спряження:

; ;;

4.1.5. Конструктивні параметри спряження: м, м, .

Послідовність розрахунку

4.2 Характеристика спряження за умовами зношування

Дане спряження належить до 1-ої групи класифікації спряжень за умовами їх зношування і до І типу спряжень, за рахунок наявності незношуваних (або малозношуваних) напрямних, які визначають напрям (х-х) можливого зближення елементів спряження. Тому зношування спряження можна охарактеризувати одним параметром - відносним зближенням зношуваних деталей 1 і 2 в напрямі х-х.

4.3 Визначення законів зношування спряжених деталей

Закони зношування деталей спряження 1-ої групи мають вигляд:

(4.1)

(4.2)

4.4 Визначення характеру епюри тисків на поверхні тертя спряжених деталей

Характер епюри тисків на поверхні тертя спряжених деталей встановлюємо, виходячи з прийнятих закономірностей зношування (4.1), (4.2). Початок координат розмістимо у вершині конуса, а вісь “У” - спрямуємо по одній із твірних (рис. 3.1).

Згідно (3.10):

4.5 Розрахунок швидкості зношування спряження

Згідно (3.12)

Підставимо (3.12) у (3.10):

(4.3)

де .

Рис. 4.1. Введення даних для розрахунку

Визначаємо за допомогою середовища MathCAD (рис. 4.1, 4.2).

Рис. 4.2. Результати розрахунку

Епюру тисків приведено на рис. 4.3.

Рис.4.3. Епюра тиску

4.6 Визначення форми зношуваної поверхні

Лінійне зношування і визначаємо за формулами (3.15), (3.16):

м;

м.

Зношування спряження

м.