Кавитационные повреждения

Эрозионные повреждения

Эрозионные повреждения возникают при действии на металл с большой скоростью потоков жидкости или газа.

Интенсивность разрушения поверхности возрастает с повышением температуры потока и его запыленности.

Устраняются:

- повышением сопротивления металла окислению в данной среде;

- повышением поверхностной твердости;

- наплавкой твердосплавных материалов (табл.6.1 гл.6).

Кавитационные повреждения на поверхности металла возникают под воздействием гидравлических ударов. Гидравлические удары есть следствие образования в жидкости каверн (при понижении давления в потоке жидкости) и последующего их схлопывания или разрыва. Кавитационные повреждения интенсифицируют процесс коррозии и наоборот.

Интенсивность кавитационных повреждений можно снизить:

- введением веществ, снижающих поверхностное натяжение;

- применением углеродистых сталей с повышенным содержанием углерода (до 0,8%);

- применением никель- и хромсодержащих сталей (например, 38ХМЮА);

- применением низколегированного чугуна с шаровидным графитом;

- применением упрочняющей технологии (процессов пластического деформирования - ППД, закалка ТВЧ, азотирование, цементация);

- наплавкой и металлизацией высокотвердыми материалами;

- применением высокоэластичных материалов;

- повышением давления в зоне кавитации.

Глава 3. Износ деталей металлургических машин

В процессе эксплуатации машин в узлах трения развиваются процессы изнашивания, которые на разных периодах эксплуатации характеризуются различными скоростями.

Характер изменения скорости изнашивания с течением времени представлен на рис.3.1.

Рис.3.1. Закономерности изменения скорости изнашивания

Для наиболее общего случая (рис. 3.1,а) в начальный период эксплуатации (период приработки) происходит снижение скорости изнашивания, затем наступает период установившегося износа, который завершается периодом, характеризующимся развитием недопустимых процессов изнашивания, обладающих высокой скоростью.

В ряде случаев период установившегося износа может отсутствовать (рис. 3.1,б) или происходит стабилизация износа и скорость изнашивания монотонно убывает (рис. 3.1,в).

На скорость изнашивания оказывает влияние:

- геометрические и физико-механические свойства поверхностного слоя;

- контактные напряжения и скорость относительного смещения поверхностей трения;

- физико-механические свойства смазочных материалов пар трения;

- окружающая среда.

В соответствии с изменением скорости изнашивания для наиболее общего случая (см. рис. 3.1,а) развитие износа в паре трения с течением времени представлено на рис. 3.2.

Рис.3.2. Зависимость износа от продолжительности процесса трения

Функции изменения скорости изнашивания и величины износа во времени имеют характерные точки 1 и 2, и соответственно им период эксплуатации узла трения может быть разбит на три периода.

1 период. Это период начальной эксплуатации, в который происходит приработка трущихся поверхностей. Как известно, в этот период должна формироваться оптимальная шероховатость, а для этого должны быть созданы определенные условия, рассмотренные в гл. 4.

Если таких условий создано не будет, то в узле трения величина износа достигнет предельно допустимого значения [U] раньше (точка 1''), чем будет сформирована оптимальная шероховатость.

2 период. Это период установившегося износа, период нормальной эксплуатации, характеризующийся постоянством скорости изнашивания, величина которой зависит от вида изнашивания и факторов, указанных выше.

3 период. Период аварийного, недопустимого износа. В точке 2 узел трения достигает предельно допустимой величины износа и его дальнейшая эксплуатация недопустима. Величина предельно допустимой величины износа может лимитироваться толщиной упрочненного слоя, прочностью детали, зазором в соединении, при котором возникают недопустимые динамические нагрузки, условием существования режима жидкостной смазки и др.

Износ сопряжения на различных периодах эксплуатации может быть представлен зависимостями:

U=U +U_п+U_э<=[U];

U=U₀+I_t.п*t_п+I_t.э*t_э<=[U] (3.1)

где U₀ - начальный зазор в соединении;

I_t.п, I_t.э - скорость изнашивания в период приработки и нормальной эксплуатации соответственно;

t_п, t_э - длительность периода приработки и эксплуатации соответственно.

Из представленной зависимости вытекает, что при заданной допустимой величине износа [U] время работоспособного состояния узла трения будет зависеть от:

- первоначального зазора в соединении;

- величины износа в период приработки и длительности периода приработки;

- скорости изнашивания.

Чем меньше величина этих параметров, тем более длителен процесс нормальной эксплуатации узла трения.

Первоначальный зазор в сопряжении зависит от выбранной посадки и от скорости изнашивания малоизнашиваемой детали в восстанавливаемых узлах трения.

Весьма существенного повышения срока службы узла трения можно достичь за счет реализации процесса приработки и сокращения его длительности.

Наиболее широкие возможности по увеличению срока службы узлов трения связаны со снижением скорости изнашивания.

Глава 4. Приработка трущихся поверхностей

Процесс приработки есть процесс формирования на поверхности трения оптимальной (равновесной) шероховатости, когда происходит постепенное увеличение упругой составляющей площади контакта и уменьшение доли пластической составляющей. Следствием этого является минимизация интенсивности изнашивания в конце периода приработка.

Предварительное упрочнение поверхностного слоя пластической деформацией способствует диффузии кислорода воздуха в металл с образованием оксидов железа, что реализует процесс окислительного изнашивания, протекающего с малой интенсивностью.

Для формирования оптимальной шероховатости в процессе приработки необходимо обеспечить определенные условия.

Существенное влияние на протекание процесса приработки оказывают такие факторы, как нагрузка и скорость скольжения.

"Золотое" правило процесса приработки - постепенность увеличения как скорости, так и нагрузки.

Если увеличение давления не превышает некоторого значения (критическое значение контурного давления), качество прирабатываемой поверхности улучшается.

Так как в процессе приработки происходит снижение контурного давления, то для его поддержания в пределах необходимо постоянно увеличивать внешнюю нагрузку на величину, определяемую функцией N(t), до достижения ею максимального значения.

Продолжительность и оптимальные режимы приработки определяются в следующей последовательности:

1. Устанавливают начальную нагрузку приработки N₁ расчетом или экспериментально из условия обеспечения упругого контакта.

2. Находят начальную продолжительность приработки t при нагрузке N₁ из зависимости

(4.1)

где R_z - параметр шероховатости более грубой поверхности;

J_tн - начальная скорость изнашивания при нагрузке N₁ (определяется экспериментально);

Y - коэффициент увеличения нагрузки, значения которого принимаются в пределах 1,1...1,3.

3. Устанавливается число ступеней приработки n с нагрузкой N_i для каждой ступени с порядковым номером ступени i.

N_i=N₁ ·Y^i-1; (4.2)

(4.3)

где N_max - максимальная нагрузка приработки, составляющая 50% эксплуатационной нагрузки.

4. Определяется общая продолжительность процесса приработки

(4.4)

Функция роста нагрузки определяется из зависимости

N(t)=N₁+(N_max-N₁)(t/T)^1/3. (4.5)

В процессе приработки достигается минимальное значение коэффициента трения для заданных условий, что ведет к снижению тепловыделения при трении. Средняя температура (К) в контакте при установившемся режиме трения определяется из зависимости:

(4.6)

где p - удельное давление на контакте, МПа;

V - скорость скольжения, м/с;

A_a - номинальная площадь контакта, м²;

l₁,₂ - коэффициенты теплопроводности контактирующих тел, Вт/м ·К;

(4.7)

s₁,₂ - коэффициент теплопередачи, Вт/м² ·K;

n - периметр теплоотдающей поверхности, м.

Для интенсификации процесса приработки применяют металлоплакирующие смазочные материалы и масла с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ), что способствует получению шероховатости более высокого класса чистоты обработки. Например, в качестве такой присадки до 10...18% может использоваться полиэтилен.

При отсутствии условий для реализации процесса приработки узлов в процессе эксплуатации необходимо создавать для наиболее ответственных, дорогостоящих узлов специальные обкаточные стенды, основанные на принципе замкнутого силового контура. Затраты на создание таких стендов окупаются за счет существенного увеличения срока службы узлов трения и сокращения расходов на поддержание их в работоспособном состоянии.

Глава 5. Подбор материалов для узлов трения

Узлы трения обобщенно можно подразделить на сопряжения, в которых реализуется сила трения покоя (посадки с натягом, крепежные соединения) и подвижные сопряжения.

При подборе материалов для узлов трения покоя необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

- в узле трения должно реализовываться внешнее трение, определяемое условием:

(5.1)

где HB - твердость по Бринеллю менее твердого тела, МПа;

D - комплексная характеристика шероховатости;

t_n=t₀+b ·HB,

где t₀, b - фрикционные характеристики (табл. 5.1);

- контурное давление, МПа, определяемое из зависимости:

(5.2)

где -натяг в соединении, м;

- диаметр вала, м;

-наружный диаметр ступицы, м;

- для предотвращения заедания поверхностей при разборке соединения шероховатость более твердой поверхности должна соответствовать условию

(5.3)

где q=(1-m²)/E;

m - коэффициент Пуассона;

E - модуль упругости, МПа;

- избегать контурных давлений, соответствующих переходу упругопластических деформаций в пластические:

>7,5 ·D^-2 ·HB⁵ ·q⁴; (5.4)

- учитывать возможность схватывания материалов в парах трения:

полное схватывание

Al-Cu, Fe-Cu, Pb-Cu, Al-Ag;

частичное схватывание

Al-Fe, Fe-Ti, Al-Ni, Zn-Al, Cu-Ag;

не происходит схватывания

Fe-Pb, Fe-Аg.

Таблица 5.1

Фрикционные характеристики материалов

Материал	t0, МПа	b	HB, МПа
Сталь 40Х		0,055
Сталь 45		0,044
Сталь45 (закалка)		0,072
БрА10ЖЗМц1,5		0,1
Медь		0,08
Алюминий		0,116
Капролон		0,06
Фторопласт-4	3,4	0,017

Для подвижных соединений к материалам пар трения предъявляются следующие требования:

- стойкость к задирам;

- хорошая прирабатываемость;

- минимальный коэффициент трения;

- высокая износостойкость;

- недефицитность.

Таблица 5.2

Триботехнические и физико-механические свойства антифрикционных материалов

Материал	Рс, МПа	V, м/с	[pv], МН/(м ·с)	f	НВ, МПа	Е, МПа	sт, МПа	Примечания
Баббиты ГОСТ 1320-74 Б-16 Б-83 БН	5-10 5-10	5-50 5-50	10-50 10-50	0,006 0,005 0,006		0,35 ·10^5 0,48 ·10^5 0,4 ·10^5		Для работы в условиях жидкостной или полужидкостной смазки и в паре с деталью твердостью HRC>50
Бронзы ГОСТ 613-79 Бр05Ц5С5 Бр010Ф1				0,009 0,008-0,15	600-900	0,9 ·10^5 0,75 ·10^5		Для работы в условиях полужидкостной смазки. Хорошие антифрикционные свойства
ГОСТ 493-79 Бр А4Ж4Л Бр А10Ж4Н4Л Бр А9Мц2Л				0,012-0,04 0,006-0,012 0,012	1400-1600 800-1000	1,12 ·10^5 1,15 ·10^5 1,2 ·10^5		В условиях граничной смазки при высоких нагрузках и низких скоростях скольжения в паре с деталью твердостью HRC>50
ГОСТ 18175-78 Бр КЗМц-1				0,015		1,12 ·10^5		Используется как наплавочный материал для восстановления изношенной поверхности
Полимеры Фторопласт-4 ГОСТ 1007-80 Капрон ТУ 6-06-309-70 Капролон В ТУ 6-05-211-950-74	1,0	0,5   0,2   0,2	0,04   0,15   0,2	0,03-0,1   0,11-0,15   0,12	30-60   80-120   140-150	500-600     2000-300	24,0	Хорошая износостойкость при частичном проникновении абразивной среды. Необходим высокий класс чистоты обработки сопряженной детали (8 класс чистоты обработки поверхности и выше)
Текстолит Б ГОСТ 5-78 (без с.м.) (со с.м.)				0,2-0,3 0,05-0,1		(0,02-0,1) ·10^5		В условиях работы без смазочного материала (с.м.) и со смазыванием водой

В подвижных соединениях реализуются как прямые, так и обратные пары трения. В прямой паре деталь с большей поверхностью трения имеет и большую твердость. В обратной паре деталь с большей поверхностью трения имеет меньшую твердость. Более износостойкой является прямая пара трения.

Менее твердое тело должно изготавливаться из антифрикционных материалов.

При невозможности использования в узле трения смазочного материала или при недостаточном его количестве необходимо использовать антифрикционные материалы с низкими значениями фрикционных характеристик t₀ и b.

Но, как правило, такие материалы обладают низкими прочностными свойствами и при их деформации возрастают потери энергии на трение, что ведет к интенсивному нагреванию поверхностных слоев. Разогрев поверхностных слоев вызывает их размягчение, что ведет к росту силы трения и увеличению интенсивности изнашивания. Поэтому такие материалы (например, фторопласт-4) используют в виде тонких покрытий или наполнителей.

Триботехнические и физико-механические свойства наиболее широко используемых антифрикционных материалов приведены в табл. 5.2.

Из металлических антифрикционных материалов наибольшее распространение в подшипниках скольжения получили баббиты и бронзы.

Баббиты используют в подшипниках скольжения, работающих в режиме жидкостной смазки.

В узлах трения, работающих при небольших окружных скоростях и высоких нагрузках, используют бронзы.

Твердость валов, контактирующих с бронзовыми вкладышами, должна быть не ниже HRC 50.

Глава 6. Виды изнашивания

6.1. Характеристики нагруженности узла трения

Основным фактором, определяющим срок службы узла трения, является интенсивность изнашивания.

Факторы, влияющие на ее величину, рассмотрены в гл. 3. Одними из важнейших внешних факторов являются контурное давление на контакте и скорость смещения трущихся поверхностей.

В дальнейшем, рассматривая способы повышения износостойкости при различных видах изнашивания, будут использоваться термины "низкая" и "высокая" нагрузки, "малые" и "большие" скорости скольжения.

К низким нагрузкам будем относить нагрузки, под воздействием которых в паре трения реализуется упругий или упругопластический контакт, к высоким нагрузкам – когда реализуется пластический контакт.

Условиями реализации различных видов контакта являются следующие неравенства:

Ненасыщенный упругий контакт (ННУК)

(6.1)

Упругопластический контакт (УПК)

. (6.2)

Ненасыщенный пластический контакт (ННПК)

. (6.3)

Насыщенный пластический контакт (НПК)

, (6.4)

где - контурное давление, МПа;

- комплексная характеристика шероховатости для более твердого из контактирующих тел (таб.4.2, 4.3);

- упругая постоянная, МПа^-1;

Е – модуль упругости менее твердого тела, МПа;

HB – твердость менее твердого тела, МПа.

Величина контурного давления для различных соединений может быть найдена из следующих зависимостей.

Шариковый подшипник качения:

. (6.5)

Роликовый подшипник качения:

, (6.6)

где N - нагрузки, МН;

;

- упругие постоянные контактирующих тел, МПа^-1;

r – радиус шара, цилиндра, м;

l – длина контакта вдоль продольной оси цилиндра, м.

Посадки с натягом:

; , (6.7)

где - величина натяга, м;

d – диаметр вала, м.

; d₂ – диаметр ступицы насаженной детали, м.

Плоские поверхности:

, (6.8)

где - номинальное давление, МПа;

H_B, R_B – высота и радиус волны волнистой поверхности, мкм (табл. 6.1);

K, d - коэффициенты (табл. 6.2).

Таблица 6.1

Ориентировочные значения параметров волнистости

Метод обработки	Rа, мкм	HB, мкм	RB, мкм
Круглое шлифование	1,25 … 0,16	0,8 … 3	20 … 160
Плоское шлифование	5,0 … 0,16	1,2 … 12	25 … 90
Растачивание	5,0 … 0,32	2 … 3,5	25 … 100
Полирование	0,63 … 0,08	0,3 … 1,5	20 … 160

Таблица 6.2

Значения коэффициентов К и d

Деформация выступов		Коэффициент
0,1	0,2	0,4	0,8	1,6	3,2
Пластическая		К d	1,05 0,6	1,1 0,7	1,2 0,85	1,35 1,15	1,55 1,5	2,1 2,3
	К d	1,1 0,65	1,17 0,8	1,28 1,0	1,43 1,3	1,75 1,65	2,6 2,0
	К d	1,13 0,7	1,2 0,85	1,35 1,1	1,55 1,5	2,1 2,35	3,5 2,0
Упругая	-	К d	1,05 0,65	1,06 0,8	1,14 1,05	1,25 1,4	1,5 1,95	2,1 2,4

Шлицевое соединение (зубчатые муфты):

; (6.9)

где - угол перекоса соединяемых валов;

Н – высота контакта зубьев, м;

– длина сопряжения, м.

Зубчатые зацепления:

Для зубчатых зацеплений контурные давления можно определять по зависимостям (8.10)-(8.12).

Критерии «больших» и «малых» скоростей

Критерием больших скоростей является соотношение, м/с:

V > 4 ·a/r;

критерием малых скоростей - соотношение

V < 4a/25r,

где a - коэффициент температуропроводности, м²/с;

а=0,11*10 ^{- 4} - для стали;

а=1,15*10 ^{- 4} - для меди;

а=0,6*10 ^{- 4} - для бронзы;

r - радиус микронеровностей, м.

Таблица 6.3

Ориентировочные значения малых и больших скоростей для пар трения сталь-бронза, сталь-сталь

Пара трения	Скорость, м/с	Способ обработки
Точение, шлифование	Полирование
Шероховатость Ra, мкм
1,25…2,5	0,63…,25	0,32…0,63	0,32…0,63	0,16…0,32	0,08…0,16
Сталь-бронза	Малая	0,5	0,27	0,18	0,04	0,02	0,015
Большая		6,8	4,4	1,0	0,5	0,36
Сталь-сталь	Малая	0,09	0,05	0,033	0,007	0,004	0,003
Большая	2,2	1,25	0,8	0,18	0,09	0,07

Дата добавления: 2014-12-08