Избирательный перенос 1 страница

Фреттинг-коррозия

Усталостное изнашивание

Проявляется при качении в виде местных очагов разрушения (питтинг) и в отделении микрообъемов поверхности при трении скольжения за счет усталости поверхностных слоев.

На усталостную прочность s, характеризующуюся количеством циклов нагружения, существенное влияние оказывает удельная нагрузка на контакте p, связанные соотношением из теории подобия

p³s=idem,

где idem – условие подобия модели и натуры.

То есть незначительное повышение нагрузки ведет к снижению количества циклов нагружения, при котором происходит разрушение поверхности.

Повышение износостойкости в условиях усталостного изнашивания достигается снижением удельной нагрузки на контакте, выбором материала с повышенным сопротивлением усталости, повышением класса чистоты обработки, применением жидких смазочных материалов с высоким классом чистоты.

Этот вид изнашивания проявляется в соединениях (подвижных и неподвижных) при колебаниях контактирующих поверхностей с малыми амплитудами 0,025...2,5 мм. Наиболее интенсивное изнашивание соответствует амплитудам в пределах 0,1...0,15 мм. Распространен на посадочных поверхностях полумуфт, зубчатых колес, подшипников качения, в деталях кривошипно-шатунных механизмов.

На интенсивность процесса изнашивания существенное влияние оказывает количество циклов нагружения.

Характерным признаком процесса фреттинг-коррозии в подвижных соединениях является наличие темных полос по границам сопряжения. В соединениях с натягом в месте контакта появляются продукты окисления от светло-красно-коричневого до темно-коричневого цвета.

Повреждения поверхностей вследствие фреттинг-коррозии служат концентраторами напряжений и снижают предел выносливости. В случае усталостного разрушения на фреттинг-коррозию как первопричину указывает характерный язычок металла.

Предотвратить или замедлить развитие процесса фреттинг-коррозии возможно путем:

- нанесения на поверхность контакта слоя меди, кадмия, ПТФЭ (политетрофторэтилен);

- повышения твердости одной из деталей;

- увеличения натяга соединения;

- увеличения шероховатости поверхности, если устраняется проскальзывание;

- фосфатирования поверхности и покрытия ее парафином;

- покрытия поверхности свинцовыми белилами или их смесью с MoS₂;

- смазывания контактирующих поверхностей маслами с противоизносными присадками.

Избирательный перенос (ИП) - это процесс, заключающийся в формировании при трении на трущихся поверхностях так называемой сервовитной пленки. Сервовитная пленка, как правило, формируется из бронзы или медьсодержащих химических соединений и представляет собой очень активную медную пленку толщиной 1…2 мкм, свободную от окисных пленок. Сервовитная пленка покрывает трущиеся поверхности обоих контактируемых тел (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Избирательный перенос:

1 - металлополимерный слой; 2 - сервовитная пленка меди; 3 - сталь

Одновременно с формированием сервовитной пленки образуются полимеры трения, дополнительно разделяющие пары трения, поверхностно-активные вещества (ПАВ), выделяется свободный водород, восстанавливающий окисные пленки на медном сплаве и стали. Это положительные факторы, стабилизирующие эффект безизносности.

Но при повышении температуры более 65°С интенсифицируется выделение водорода и насыщения им поверхности стали. Поверхность стали в виде порошка переходит на поверхность бронзы. Режим избирательного переноса переходит в режим водородного изнашивания.

Наибольшая вероятность реализации ИП в парах трения сталь-бронза при наличии смазочного материала с ПАВ (например, ЦИАТИМ-201, ЛКС-металлургическая, АМ-10 и др.) или сталь-сталь с использованием смазочных материалов, включающих медьсодержащие порошки или химические соединения. Порошки вводятся в количестве 10% от объема. А использование в качестве присадки до 3% серно-кислой меди обеспечивает работу пары сталь-сталь с такими же триботехническими характеристиками, как и пары трения сталь-бронза.

Наиболее стабилен процесс ИП с циклическим знакопеременным изменением направления смещения контактирующих поверхностей:

- со скоростью скольжения в пределах м/с ( - максимальная величина скорости скольжения, ограниченна температурными свойствами смазочного материала);

- имеющих шероховатость более твердой детали в пределах 0.3…0.63 Ra;

- работающих при удельных нагрузках более 20 МПа;

- со смазочными материалами, содержащими ПАВ (динатриевая соль этилдиаминтетрауксусной кислоты, олеиновая кислота, сульфополиамидные производные) в количестве 0.5…3% от массы смазочного материала.

Глава 7. Смазка и смазочные материалы

7.1. Виды смазки

Наиболее эффективным средством снижения величины коэффициента трения и износа в узлах трения машин является применение специальных материалов, получивших название “ Смазочные материалы ”.

При введении смазочного материала между трущимися поверхностями реализуются различные механизмы взаимодействия, определяемые свойствами смазочного материала, свойствами трущихся поверхностей, кинематическими и силовыми условиями на контакте.

Действие смазочного материала на поверхности трения, приводящее к снижению трения и скорости изнашивания обозначается термином “ смазка ”.

Различают два вида:

- жидкостная смазка;

- граничная смазка.

Синонимами этих терминов являются жидкостное трение и граничное трение.

При одновременном возникновении между трущимися поверхностями жидкостной смазки и граничной смазки действие смазочного материала определяют термином “ смешанная смазка ”.

Жидкостная смазка имеет несколько режимов:

- гидродинамический;

- гидростатический,

- эластогидродинамический.

При обозначении режимов жидкостной смазки допускается опускать термин “ жидкостная ”, т.е. гидродинамическая смазка, гидростатическая смазка, эластогидродинамическая смазка.

Внешнее различие режимов смазки может определяться толщиной пленки смазочного материала, разделяющегося трущиеся поверхности. С этой целью введен так называемый коэффициент толщины пленки .

где - толщина пленки смазочного материала,

- шероховатости поверхностей.

При - наиболее вероятна граничная смазка;

- смешанная смазка;

- эластогидродинамическая смазка;

- гидродинамическая и гидростатическая смазка.

Сравнительные толщины пленок смазочного материала при различных видах смазки приведены на рис7.1.

шероховатость допуски

ГД - пленка

ЭГД - пленка

МЭГД - пленка

слой окислов

предельный слой смазочного материала

диаметр молекулы окисла

10^-10

10^-9

10^-8

10^-7

10^-6

10^-5

10^-4

10^-3 М

Рис 7.1. Сравнительная толщина пленки смазочного материала

при различных режимах смазки

Известно, что различные режимы трения характеризуются различной величиной коэффициента трения.

Рис. 7.2 Кривая Штрибека.Зависимость коэффициента трения

от параметра Герси:

I - зона сухого и граничного трения;

II - зона смешанного трения;

III - зона жидкостного трения

На рис.7.2 приведена кривая Штрибека, характеризующая зависимость величины коэффициента трения от безразмерного параметра ,

где - динамическая вязкость смазочного материала, ;

- частота вращения, ;

- удельная нагрузка, .

7.2. Гидродинамическая жидкостная смазка

Условием реализации жидкостной смазки является полное разделение трущихся поверхностей слоем жидкого смазочного материала. Обеспечить такое разделение можно, зная закономерности механизма взаимодействия смазочного материала и трущихся поверхностей.

Один из таких механизмов реализуется в подшипниках скольжения при смещении трущихся поверхностей – это режим гидродинамической смазки.

На рис.7.3 и 7.4 представлены схемы поведения деталей подшипника скольжения при изменении скорости вращения вала.

Рис. 7.3. Схема возникновения несущего масляного слоя в подшипнике:

а – отсутствие вращения вала; б – вращающийся вал

Рис. 7.4. Положение вала в подшипнике:

a - момент трогания; б - установившийся режим;

в - изменение положения центра вала в подшипнике (полукруг Гюмбеля)

Исходное положение вала в подшипнике скольжения (рис.7.3,а) определяется диаметральным зазором и радиальным зазором = / 2. В момент трогания вал накатывается на подшипник, и ось вала отклоняется на угол (рис.7.4,а), а при последующем проворачивании вала осуществляется захват смазочного материала.

При достижении номинальной скорости вал занимает положение, соответствующее рис. 7.3,б и 7.4,б. Между валом и подшипником скольжения формируется слой смазочного материала с толщиной в месте максимального сближения. Разность между радиальным зазором и минимальной толщиной слоя смазочного материала определяет эксцентриситет оси вала относительно оси подшипника. Величина эксцентриситета зависит от величины Р нагрузки на подшипник и частоты вращения вала . Для характеристики подшипника скольжения используется относительный эксцентриситет .

В слое смазочного материала возникают напряжения, эпюры которых представлены на рис.7.4,в.

Величина номинального давления находится из зависимости

, (7.1)

где и - диаметр и длинна подшипника.

Величина максимального напряжения

Величина слоя смазочного материала в соответствии с гидродинамической теорией жидкостной смазки зависит от:

- частоты вращения вала ;

- номинального давления ;

- относительного диаметрального зазора ;

- вязкости смазочного материала .

Положение центра вала определяется безразмерным параметром . С ростом этого параметра центр вала перемещается к центру подшипника по траектории, близкой к полуокружности диаметром, равным радиальному зазору (полукруг Гюмбеля). На рис. 7.4,в в качестве величины диаметра использована относительная величина – относительная толщина масляного слоя

. (7.2)

При бесконечно большой величине параметра центр вала совпадает с центром подшипника. При этом , клиновидность зазора исчезает, а давление в масляном клине должно быть равным нулю. Такое состояние может наступить при отсутствии внешней нагрузки.

С уменьшением параметра толщина масляного слоя уменьшается, вытекание масла, нагнетаемого в эту область насосным действием вала, затрудняется, давление в масляном слое повышается, теоретически до бесконечности. Реально отклонение от цилиндричности, шероховатость, наличие загрязнения в смазочном материале ограничивают несущую способность подшипника.

При гидродинамической смазке относительный эксцентриситет и относительная минимальная толщина являются функциями безразмерного числа Зоммерфельда

. (7.3)

Существует оптимальное значение, , при котором режим гидродинамической жидкостной смазки наиболее устойчив.

Выше этого значения небольшие изменения нагрузки ведут к значительному смещению центра вала (полукруг Гюмбеля), которые легко переходят в циклические вихревые движения.

Взаимосвязь между числом Зоммерфельда и относительной минимальной толщиной смазочного слоя может быть выражена следующими зависимостями для различных значений отношения длины к диаметру подшипника :

(7.4)

. (7.5)

Для этих случаев оптимальный относительный зазор

. (7.6)

Предельное значение относительного зазора, при котором еще реализуется гидродинамическая жидкостная смазка:

. (7.7)

Ограничение на реализацию режима гидродинамической смазки накладывает и величина безразмерного параметра Рейнольдса

,

где - минимальный слой смазочного материала, мм;

- средняя скорость жидкостной пленки, мм/с;

- кинематическая вязкость смазочного материала, мм²/с.

При Re > 1900 ламинарное течение смазочного материала переходит в турбулентное, что ведет к нарушению режима жидкостной смазки.

7.3. Гидростатическая жидкостная смазка

Разделение трущихся поверхностей в подшипнике скольжения можно осуществить не только в динамике (при вращении вала), но и в статике, когда вал неподвижен. Это очень важно в момент трогания вала. Это можно обеспечить, подавая в зону контакта вала с подшипником жидкий смазочный материал под высоким давлением, создаваемым установленным вне подшипника насосом. Такой режим разделения трущихся поверхностей получил название «гидростатическая жидкостная смазка», а подшипник, в котором реализуется этот режим, – «гидростатический подшипник жидкостного трения».

Для гидростатической смазки требуется давление масла порядка 20…30 МПа.

7.4. Эластогидродинамическая смазка

Этот режим смазки реализуется в подшипниках качения и зубчатых зацеплениях. Предпосылкой для возникновения пленки смазочного материала служат высокие контактные нагрузки, приводящие к упругим деформациям соприкасающихся тел и к росту вязкости смазочного материала в соответствии с зависимостью

, (7.8)

где - вязкость смазочного материала при = 0, ;

- давление на контакте, ;

- пьезокоэффициент вязкости, , для минеральных масел, .

Эпюра давлений в смазочном слое и вид контакта представлен на рис.7.5, т.е. на выходе имеется сужающаяся щель и соответствующий сужению всплеск давления.

Рис. 7.5. Эпюра распределения скоростей, форма зазора

между контактирующими при качении цилиндрами

и ориентировочная эпюра распределения в нем давления масла:

1 - контактирующие поверхности; 2 - масло; 3 – эпюра давления масла; 4 - распределение давления по Герцу для несмазанных поверхностей; - координаты концов смазочного слоя

В наиболее узком месте увеличивается скорость течения и растет вязкость масла под действием давления. При выходе из зазора вязкость масла резко падает.

Наибольшее влияние на распределение максимума давления оказывает параметр скорости .

, (7.9)

где - вязкость смазочного материала, ;

- скорость скольжения на контакте, ;

- эквивалентный модуль продольной упругости, Па;

- эквивалентный радиус кривизны, м.

Минимальная толщина масляной пленки также зависит от параметра скорости, т.е. возрастает с его ростом.

Сила трения, возникающая при эластогидродинамической смазке при чистом качении, изменяется с изменением параметра скорости и в первом приближении прямо пропорциональна толщине пленки смазочного материала.

Существенное влияние на режим эластогидродинамической смазки оказывает шероховатость контактирующих поверхностей. Условной мерой реализации эластогидродинамической смазки является коэффициент толщины пленки l.

При > 3 топография поверхности не оказывает влияние на свойства пленки;

при 2< <3 увеличение поперечной шероховатости приводит к росту толщины пленки;

при 1< <2 на толщину пленки превалирующее влияние оказывает продольная разнотолщинность, что характерно для реальных режимов трения;

при возникает смешанное трение с небольшой долей нагрузки, приходящейся на микронеровности;

при =1,5..2,5 возникают только отдельные контакты, которые исчезают при > 2,5, обеспечивая режим гидродинамической жидкостной смазки.

После приработки толщина пленки смазочного материала, необходимая для обеспечения жидкостного трения, уменьшается в некоторых случаях до 10 раз.

7.5. Граничная смазка

В соответствии с международным стандартом ИСО 4378/3 под граничной смазкой понимается такой вид смазки, которому не могут быть приписаны объемные вязкостные свойства смазочного материала и который определяется свойствами граничных слоев, возникающих при взаимодействии материала поверхности трения и смазочного материала в результате физической адсорбции или химической реакции.

Объемные свойства жидкого смазочного материала не проявляются при толщине пленки менее 0,02…0,1 мкм. Наиболее прочные адсорбционные слои на металлах образуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), такие как жирные кислоты, их спирты и эфиры, животные и растительные жиры.

Так, например, при толщине монослоя олеиновой кислоты, равным 19,02 , слой смазочного материала может включать 10…50 таких монослоев. Адсорбционные пленки образуются на металлических поверхностях под действием ориентационных сил притяжения Ван дер Ваальса. Молекулы, ориентированные в силовом поле твердой поверхности, занимают стоячее положение (рис. 7.6).

Дата добавления: 2014-12-08