Разновидности трения и изнашивания

Трение и изнашивание - две стороны одного и того же явления, обусловленного взаимодействием двух тел, сжимаемых нормальной нагрузкой и перемещающихся друг по другу в плоскости их касания. Трение проявляется в виде противодействия относительному перемещению, т. е. характеризует силовую сторону явления. Изнашивание проявляется в виде разрушения поверхностных слоев взаимодействующих тел и изменения вследствие этого их размеров и формы.

При трении имеют место два вида взаимодействия поверхностей - механическое и молекулярное (рис. 1, а). Механическое взаимодействие характеризуется взаимным зацеплением и внедрением соприкасающихся неровностей (рис. 1, б); внедрение происходит вследствие неоднородности механических свойств материалов при их гетерогенной структуре или различной ориентированности кристаллитов, образующих поверхностные слои и обладающих анизотропией упругих свойств. Молекулярное

взаимодействие обусловлено действием межмолекулярных или междуатомных сил, приводящих к взаимному притяжению двух тесно сближенных тел (рис. 1, в).

По характеру относительного движения трущихся поверхностей трение бывает трех родов: скольжения, качения и верчения. Нередко трение одного рода сопровождается трением другого рода. Например, в зубчатых передачах происходит комбинированное трение - трение качения сопровождается трением скольжения, и чем совершеннее геометрия зубчатого зацепления, тем меньше доля скольжения.

По характеру смазки трущихся поверхностей различают:

1) сухое трение, когда на трущихся поверхностях нет смазочного слоя;

2) граничное трение, возникающее при наличии на трущихся поверхностях прочно удерживающейся очень тонкой масляной пленки (толщиной 0,1 мк, и меньше);

3) жидкостное трение, когда трущиеся поверхности полностью и надежно разобщены масляным слоем.

Трение всегда сопровождается постепенным разрушением поверхностей сопряженных деталей, перемещающихся друг по другу. Этот постепенный процесс разрушения называется изнашиванием. Следствием изнашивания является изменение первоначальных размеров и форм трущихся деталей, которое называется износом. Способность материала или детали противостоять изнашиванию называется износостойкостью. Различают (по М. М. Хрущову) следующие виды изнашивания: 1) механические, 2) молекулярно-механические и 3) коррозионно-механические.

Рисунок 1

Механические виды изнашивания возникают в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, больших пластических деформаций, выкалывания отдельных частиц или более сложного комплекса чисто механических явлений, вызывающих повреждения поверхностных слоев. Соответственно различают изнашивание: 1) абразивное, 2) вследствие пластического течения 3) вследствие хрупкого разрушения

поверхностных слоев.

Абразивное изнашивание происходит в результате режущего и царапающего действия твердых частиц - твердых структурных элементов материала детали; твердых посторонних частиц, шаржирующих поверхности или передвигающихся между ними.

Абразивное действие оказывают и поверхностные неровности на твердой детали (например, на стальной цапфе) при трении о мягкую поверхность (например, вкладыш с баббитовым слоем). Абразивное изнашивание является самым распространенным видом изнашивания деталей машин.

Под изнашиванием вследствие пластического течения понимается тот случай, когда размеры и форма деталей изменяются под действием больших пластических деформаций, охватывающих не микро, а макробъемы трущихся деталей; изменение размеров и формы деталей происходит без заметной убыли веса деталей.

Изнашивание при хрупком разрушении происходит, когда поверхностные слои, подвергаясь пластическому деформированию, интенсивно наклепываются, становятся хрупкими и, разрушаясь, обнажают нижележащие ненаклепанные слои, после чего явление повторяется. В результате эта разновидность механического изнашивания приобретает циклический характер.

Твердые и хрупкие выкалывающиеся поверхностные слои могут образоваться в процессе изнашивания также и вследствие обогащения их твердыми структурными составляющими, структурных повреждений, нагрева, окисления и др.

Молекулярно-механические виды изнашивания возникают в результате молекулярного схватывания материалов на отдельных участках сопряженных поверхностей  и последующего механического разрушения образовавшихся связей. При этом виде изнашивания происходит: перенос металла с одной поверхности трения на другую; вырывание частиц и их налипание, и наволакивание; заедание трущихся деталей, сопровождаемое сильным повреждением поверхностей и резким повышением сопротивления относительному перемещению деталей. Молекулярно-механическое изнашивание тем интенсивнее, чем легче протекает пластическое деформирование поверхностных слоев.

Коррозионно-механические виды изнашивания возникают в результате одновременного протекания двух процессов - механического изнашивания и коррозии. При наличии агрессивной среды продукты коррозии, образовавшиеся на поверхностях трения, механически сдираются с них.

Если твердость частиц этих продуктов выше твердости металлов трущихся деталей, то они действуют как абразивы и усиливают износ.

К коррозионно-механическому изнашиванию относятся и те случаи, когда при трении, сопровождаемом пластическим деформированием поверхностных слоев деталей, происходит активное окисление металла кислородом атмосферного воздуха. Это явление наблюдается: при трении без смазки в условиях высоких контактных напряжений; при повторных напряжениях, вызывающих деформации и трение в местах неподвижных посадок; при повышенных температурах. Интенсивность изнашивания в этих случаях зависит от соотношения твердостей окислов и основного металла.

Процесс изнашивания деталей во времени протекает неравномерно (рис. 2). В начальный период эксплуатации машины, когда новые детали прирабатываются, происходит повышенный их износ; затем наступает период установившегося процесса (II), когда скорость изнашивания становится минимальной; наконец, наступает период (III) прогрессивно возрастающего (аварийного) изнашивания, который может привести к тому, что деталь полностью выйдет из строя.

Путем тщательной отделки и пригонки трущихся поверхностей, применения приработочных режимов и средств добиваются сокращения первого периода.

Применением износостойких материалов, качественным изготовлением и сборкой деталей, тщательным уходом за ними максимально удлиняют второй период.

Регулярным наблюдением и контролем за работой машины предотвращают переход трущихся деталей в аварийное состояние.

Кривые изнашивания деталей могут видоизменяться в зависимости от условий их работы.

Как отмечалось ранее, одни узлы трения работают в режиме гидродинамической смазки, а другие - в режиме граничной. Различна и среда, в которой эта работа осуществляется. В разрыхлительном, трепальном, чесальном производствах она характеризуется повышенной запыленностью, в прядильном и ткацком - повышенной влажностью, в бельно-отделочном и красильном - большой химической агрессивностью, в сушильных устройствах - повышенной температурой.

Силовой и скоростной режимы отличаются очень большим разнообразием. Одни узлы находятся под воздействием больших динамических нагрузок (боевые механизмы ткацких станков, падающие гребни ленточных машин и др.), другие - под воздействием значительных контактных напряжений (эксцентриковые механизмы, пара «кольцо - бегунок», веретенный узел в месте касания пятки и подпятника). Особую группу составляют детали, находящиеся под воздействием трения о волокно, пряжу, нить.