Трение и изнашивание в специфических условиях Исполнитель

Трение и изнашивание в специфических условиях

План.

1. Трение и изнашивание при высоких скоростях скольжения.
2. Трение и изнашивание в агрессивных средах.
3. Трения в вакууме.
4.  Трение и изнашивание в условиях низких температур.
5. Фреттинг – коррозия.

 {spoiler=Подробнее}

         Высокие скорости скольжения (свыше 50 м/с) встречаются в .авиации, ракетной технике, турбостроении, приборостроении, в огнестрельном оружии, артиллерии и т. д. В большинстве случаев высокоскоростное трение характеризуется малой продолжитель­ностью процесса взаимодействия трущихся тел (от 10⁵ до 1 с, реже до 10-20 с).

         В процессе высокоскоростного трения интенсивно выделяется – тепло  в зоне трения. Интенсивность тепловыделения q в единицу времени на единице номинальной площади контакта определяется по формуле

q = f× p_a ×v

где     f - коэффициент трения скольжения;

         р_а - номинальное давле­ние;

          v - скорость скольжения.

         Материалы контактирующих пар при высоких скоростях сколь­жения не успевают прогреться на всю глубину, и в теплопоглощении участвует тонкий поверхностный слой, толщина которого d определяется так:

         где а- температуропроводность;    t - продолжительность контакта.

         Интенсивность теплового потока, малая глубина слоя, участ­вующего в теплопоглощении, ведут к тепловому удару с большим температурным градиентом в зоне контакта. Высокая температу­ра на поверхности трения может вызвать оплавление поверхност­ного слоя одного из контактирующих тел. На рис. 8.1   показана модель оплавления твердого тела при высокоскоростном трении.

         Время начала оплавления определяют из выражения

где l - теплопроводность; n_пл - температура плавления; n_о-начальная температура тела; а - коэффициент; q₁ - тепловой поток.

         Наличие оплавленного слоя в зоне трения при высоких ско­ростях скольжения ведет к значительному уменьшению коэффици­ента трения и может явиться причиной возникновения гидродина­мического трения.

         Зависимость коэффициентов трения пули в канале ружейного ство­лаf_p и снаряда в стволе орудия f₀ от скорости скольжения сле­дующая:

При скорости скольжения, м/с

         В агрессивных средах разрушение поверхности тела происхо­дит под действием двух одновременно протекающих явлений: кор­розии (в результате химического или электрохимического взаимо­действия материала со средой) и механического изнашивания. Химическое взаимодействие происходит при контакте материалов с сухими газами или с неэлектропроводными агрессивными жид­костями; электрохимическая коррозия - при контакте металлов c электролитами (водные растворы кислот, щелочей, солей, расплавы солей и т. д.). При этом наблюдаются два процесса: анод­ный (непосредственный переход атомов металла в раствор в виде (ионов) и катодный (ассимиляция избыточных электронов атома­ми или ионами, раствора). В зоне трения возникает электриче­ский ток.

         На обнажающихся при трении поверхностях образуются пленки, обладающие иными свойствами, чем пленки, образующиеся при трении вне агрессивной среды. Если образующаяся пленка легко удаляется, может возникнуть схватывание, если пленка но­сит защитный характер, интенсивность изнашивания снижается.

         Поведение  поверхностей  при трении в агрессивных  средах можно   характеризовать   изменением   электродных  потенциалов. Обычно  сравнивают электродный  потенциал   поверхностей при трении j_тр. с их потенциалом после зачистки от пленок j₃. Если j_тр.»j_3, то это  свидетельствует   об   удалении   образующейся пленки в процессе трения и возможности возникновения схваты­вания. Увеличение разности между j_тр. И j₃ объясняется тем, что пленка в процессе трения не удаляется, а носит защитный харак­тер, снижая интенсивность изнашивания.

         Коррозионно-механическому изнашиванию подвергаются сле­дующие детали машин и механизмов: уплотнительные кольца торцевых уплотнений реакторов, центрифуг, сепараторов, подшип­ники скольжения реакторов, насосов, плунжеры насосов, распыливающие диски центробежных сушилок, мешалки реакторов, ко­леса и корпуса центробежных насосов, шнеки, втулки смесителей и грануляторов, гребные винты судов (здесь главную роль игра­ет кавитация) и др.

         Материалы, которые применяются для пар трения, работаю­щих в агрессивных средах, должны обладать высокой коррозион­ной стойкостью ,в сочетании с хорошими антифрикционными свой­ствами и износостойкостью, обеспечивающей заданный ресурс, не должны проявлять схватывания и заедания при работе. Скорость изнашивания материалов при трении в коррозионно-активных сре­дах обусловливается скоростями образования поверхностных сло­ев и их разрушения в процессе трения, а также скоростью изна­шивания в результате механического воздействия.

         Следует помнить, что коррозионная стойкость материалов, определенная в лабораторных условиях, в ряде случаев значитель­но отличается от коррозионной стойкости тех же материалов в условиях промышленной эксплуатации. Поэтому при выборе изно­состойких 'Материалов для конкретных условий эксплуатации, не­обходимо воспроизводить реальные виды взаимодействия трущих­ся поверхностей и скорости протекания коррозионных процессов на поверхностях трения.

         Чтобы увеличить износостойкость материалов, необходимо ли­бо создавать пассивирующие слои на поверхности введением до­бавок ингибиторов в агрессивную среду, либо выбирать материалы с максимальной коррозионной стойкостью.

         Агрессивные среды, разрыхляя поверхности трения, усиливают процесс изнашивания; температура значительно активизирует процесс коррозии и тем самым интенсифицирует процесс изнашивания; увеличение удельного давления и   скорости   скольжения   I повышает температуру на поверхности трения и интенсивность изнашивания. С увеличением нагрузки возрастает напряженное состояние в точках фактического контакта, что может   привести к пластическому взаимодействию выступов шероховатости и даже к схватыванию и микрорезанию. Для снижения возможности проявления таких явлений необходимо разрабатывать узлы трения с минимальными нагрузками в паре и применять материалы с высокой твердостью. С возрастанием скорости скольжения в паре трения увеличивается путь трения, что повышает износ.

         Резко увеличивается износ деталей, работающих в агрессивных средах, при наличии абразивных частиц на поверхности тре­ния или в потоке среды, омывающей рабочие поверхности. Во из­бежание этого необходимо принять меры для удаления абразив­ных частиц, особенно высокой твердости, из агрессивной среды, снизить нагрузку в паре трения, уменьшить скорость и угол атаки потока, несущего абразивные частицы. Коррозионная активность среды, может быть снижена путем введения добавок в среду ин­гибиторов и уменьшения температуры.

         Для работы в агрессивных средах применяют высоколегиро­ванные нержавеющие стали (14Х17Н2, 20ХВН4Г9, 12Х18Н10, 08Х17Н15МЗТ и др.) в паре с мягкими антифрикционными мате­риалами (углеграфиты, пластмассы и др.), а также низколегиро­ванные коррозионно-стойкие чугуны (4НХТ и др.) и твердые сплавы (ВКЗ, ВК6 и др.). С целью повышения твердости и улучшения коррозионной стойкости все металлические материалы подверга­ются термообработке, для снижения склонности нержавеющих сталей к схватыванию и заеданию применяют азотирование и хромирование.

         Очень широко в агрессивных средах используются углеграфи­ты различных марок, обладающие высокой химической стой­костью и хорошими антифрикционными свойствами. За последние годы появились углеграфитные материалы с высокими физико-механическими свойствами (например, пропитанные металлами и смолами) и хорошей износостойкостью.

         На химических производствах в узлах трения оборудования используются высокотвердые неметаллические материалы (силицированные и бороенлицированные графиты, карбид кремния, минералокерамика), обладающие высокой износо- и коррозионной стойкостью по сравнению с другими материалами. Недостатком этих материалов является их относительная хрупкость и дорого­визна.

         Условия работы узлов трения в вакууме характеризуются ма­лой скоростью восстановления окисных и адсорбционных пленок на поверхностях трения, испарением материалов, возможностью их деструкции, изменением   фазового   состояния   и   механических свойств материалов, а также ухудшением теплоотвода от узла трения (отсутствует конвективный теплоотвод). Все эти процес­сы происходят с разной эффективностью в зависимости от степе­ни вакуума.

         Различают также «масляный» (при наличии «составе остаточных газов углеводородных соединений) и «безмасляный» вакуум (при отсутствии этих соединений).

         Следует отметить, что получение и поддержание вакуума, осо­бенно высокого и сверхвысокого, довольно сложно, а вакуумные насосы и аппаратура довольно дороги. Различают вакуум косми­ческого пространства (характеризуется неограниченной быстротой «откачки», различного рода излучениями, сверхнизкими или вы­сокими температурами и т. д.) и вакуум, создаваемый вакуумны­ми насосами в герметизированных объемах вакуумного оборудо­вания (характеризуется ограниченной быстротой «откачки», слож­ностью получения и поддержания вакуума, высокой стоимостью оборудования и аппаратуры и т.д.)

         Требования к узлам трения, работающим в вакууме, подразде­ляют на следующие виды: требования к материалам, к конструк­ции и вакуумной гигиене.                                                                                                                                                                                                   Требования к материалам. Материалы, используемые в узлах трения, работающих в вакууме, должны обладать мини­мальным газовыделением и пористостью, низкой скоростью испа­рения, термостойкостью и коррозионной стойкостью.

         Материалы и изделия в вакууме выделяют газы, находящиеся ша поверхности их стенок и внутри. Количество газа, выделяю­щееся с единицы поверхности или массы тела в единицу времени, называют скоростью удельного газовыделения.

         Общий поток газовыделения Q с поверхности узла трения равен

Q=q×A

где q - скорость удельного газовыделения; А-величина поверх­ности, обращенной в вакуум.

Если пара трения изготовлена из разных материалов, то об­щий поток газовыделения узла будет

Q=Q₁+Q₂

где Q₁ и Q₂ - потоки газовыделения с поверхности каждой детали.

         Жидкие  консистентные смазочные материалы в вакууме -имеют очень высокую скорость газовыделения (испарения) и по­тому непригодны для использования в вакууме. В вакууме обычно используют твердые смазочные материалы, имеющие малую скорость газовыделения даже при повышенных температурах в условиях высокого и сверхвысокого вакуума.

         При трении в условиях ва­куума наблюдается повышен­ное газовыделение. В началь­ный период трения происходит постепенное изнашивание за­щитных окисных пленок на по­верхностях трения и газовыделение относительно невелико, также невелики в этот период значения коэффициента трения и интенсивности изнашивания.

         Пористость материалов отрицательно сказывается на их рабо­тоспособности в вакууме, так как пористые материалы поглощают жидкости, обычно содержащие загрязнители. Эти загрязнители, как и сами жидкости, являются источниками сильного газовыде­ления в вакууме. Кроме того, пористые материалы поглощают в большом количестве газы при атмосферном давлении и   потому имеют высокую скорость удельного газовыделения в вакууме. Применять пористые материалы в вакууме не рекомендуется.

         Температуры   от   0°   до - 150 ⁰С   называют    низкими,   от -150°С до -272,85°С   - криогенными,   а   ниже - 272,85°С   - сверхнизкими.

         С развитием криогенной техники число узлов трения, работаю­щих в условиях низких температур, постоянно увеличивается. Это торцевые и радиальные уплотнения валов насосов для криоген­ных жидкостей, уплотнения электрических генераторов со сверх­проводящими роторами, поршневые уплотнения гелиевых холо­дильных газовых машин, опоры скольжения узлов, работающих при низких температурах. В этих условиях многие углеродистые стали и металлы с объемно-центрированной кубической решеткой (Fe, Сr, Мо, Та, W) подвергаются хрупкому разрушению (хладоломкости) и не могут применяться. При низких температурах ре­комендуется использовать металлы с гранецентрированной куби­ческой решеткой (Аl, Ni, РЬ, Сu, Аq) или гексагональной плотно-упакованной решеткой (Тi, Zn, Мq, Со). Кроме того, до-45°С могут работать   все   стали   с   мелкозернистой   структурой;   до-100°С-закаленные и отпущенные низколегированные ферритные   стали   с   мелкозернистой    мартенситной   структурой;   до -200°С - нержавеющие стали с аустенитной структурой; до-240°С-никелевые стали со стареющим мартенситом. При низких температурах применяются также медные, никелевые, магниевые, титановые и алюминиевые сплавы.

         Для изготовления пар трения, работающих в условиях низких температур, обычно используют нержавеющую сталь (40Х, ПЗЛ, 12Х18Н9Т) и углеграфит. Графит, кроме того, используют в на­рах графит - графит и в качестве наполнителя некоторых пласт­масс (на основе нейлона или фторопласта), работающих в средах жидкого азота и жидкого водорода. Из него изготавливают сепа­раторы шарикоподшипников для работы в условиях очень низких температур. Фторопласты и композиции на их основе находят применение в качестве антифрикционных материалов для узлов трения. Чтобы повысить износостойкость, прочность и теплопро­водность фторопласта, в «его вводят наполнители в виде мелкодисперсных порошков твердых смазок (Мо5₂). Материалом для изготовления подшипников скольжения, работающих в условиях низких температур, служит текстолит, полиамиды П-68, АК-80, капрон, стеклонаполненный капрон, а также их композиции с ди­сульфидом молибдена.

         В узлах трения при низких температурах используют специаль­ные жидкие смазочные материалы - кремнийорганическую смаз­ку № 3 (до - 100°С), углеводородную смазку ЦИАТИМ-205 (до - 50°С) и консистентную смазку ЦИАТИМ-221 (до - 100°С).

{/spoilers}