Износ при трении качения

Детали, работающие при трении качения и смешанном трении (качения и скольжения), - зубчатые колеса, эксцентрики, ролики, подшипники качения и т. п. - выходят из строя в результате своеобразного износа: их рабочие поверхности покрываются мелкими «язвочками», шелушатся, выкрашиваются. Эту форму износа принято называть осповидной. Многочисленные исследования показали, что осповидный износ возникает в результате усталости наружных слоев рабочих поверхностей; очаг возникновения поражения лежит в глубине тела, на некотором расстоянии от рабочей поверхности.

Наибольшие касательные напряжения, являющиеся первопричиной шелушения и других явлений поверхностного разрушения, расположены: в случае взаимного сжатия цилиндров или цилиндра с плоскостью - на глубине 0,78 а (где а – половина ширины площадки контакта), в случае сжатия шара с плоскостью - на глубине 0,47а от поверхности.

Все сказанное относится к случаям статического сжатия твердых тел. При перекатывании этих тел с определенной скоростью все напряжения, в особенности же касательные, периодически меняют свои значения от нуля до максимума. В подобных условиях усталостные разрушения могут наступать даже в том случае; если предел текучести, полученный при статическом сжатии, не будет превзойден.

Возникновению очага осповидного износа на некоторой глубине от поверхности способствует явление наклепа. Глубина наклепанного слоя, например, у шариков сильно перегруженных подшипников, достигает нескольких десятых миллиметра. Между наклепанными и нижележащими слоями возникают высокие напряжения. Это подтверждается тем, что под снятым шлифовкой наклепанным слоем обнаруживается сетка трещин.

Существенное влияние на процесс поверхностных разрушений при трении качения оказывает теплообразование в месте контакта катящихся тел. Распределение теплоты и абсолютная ее величина зависят главным образом от нагрузки, скорости теплопроводности материалов деталей трущейся пары. Локальное повышение температуры вызывает появление внутренних напряжений.

Суммарные напряжения от действия внешних и внутренних сил могут превысить предел прочности материала и вызвать образование трещин, которые будут форсированно развиваться при монотонном повторении напряжений.

Смазка, помещенная между сжатыми и катящимися одна по другой деталями в месте их контакта, может способствовать развитию зародышевых микротрещин, возникающих в результате усталостного эффекта; наблюдается явление, известное как расклинивающее действие смазочной пленки. Вместе с тем смазочная пленка может несколько изменить характер распределения напряжений на площадке контакта (этот вопрос все еще изучается).

Пока трудно предвидеть, будет ли это изменение способствовать осповидному износу или, наоборот, тормозить его.

Вместе с тем смазка деталей, работающих при трении качения (шарикоподшипники, зубчатые колеса и т. п.) имеет первостепенное значение в связи с тем, что эти детали фактически работают при комбинированном трении, так как качение сопровождается частичным скольжением.

Проскальзывание шариков в некоторых типов подшипников обусловливается, прежде всего, гигроскопическим эффектом, который возникает под действием сил инерции от кориолисовых ускорений при вращении шариков вокруг оси вала. Под влиянием гироскопического эффекта оси вращения шариков отклоняются от нормального положения (рис. 14). Гироскопический эффект имеет место в радиальноупорных, сферических радиальных и особенно в упорных подшипниках. Проскальзывание шариков повышает износ подшипников. Типичные повреждения, вызываемые влиянием гироскопического эффекта, выражаются в появлении заметных рисок на кольцах и матовых «запятых» на всей поверхности шариков. В дальнейшем появляются, кроме того, все признаки осповидного износа. Общеизвестен и другой пример износа при сочетании трения качения и трения скольжения - износ в результате проскальзывания в зубчатой передаче.