Абразивное изнашивание Исполнитель

Абразивное изнашивание

План

1. Виды абразивного изнашивания.
2. Изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы.
3. Изнашивание в абразивной массе.
4. Механизм абразивного изнашивания исходно свободными частицами.
5. Основные расчетные зависимости
6. Взаимодействие  абразивных частиц с различными по свойствам поверхностями трения.

 {spoiler=Подробнее}

         Абразивное изнашивание встречается во многих деталях до­рожных, строительных, сельскохозяйственных, торных, транспорт­ных и других машин. Все эти машины работают в средах, содержащих абразивные частицы (обычно минерального проис­хождения, высокой твердости), которые являются разрушаю­щими телами при абразивном изнашивании. Абразивные час­тицы (рис. 6.1) бывают округ­лой, полуокруглой, и остро­угольной формы. Абразивны­ми частицами могут быть так­же окалина, наклепанные металлические продукты изнашивания или твердые структурные составляющие одного из сопряженных тел.

 Рис. 6.1. Формы абразивных частиц (х66).

         Необходимое условие возможного проявления абразивного из­нашивания - большая твердость изнашивающего тела по сравне­нию с изнашиваемым.

         Причиной абразивного изнашивания является либо однократ­ное воздействие, приводящее к снятию очень тонкой стружки (при микрорезании), либо многократное пластическое или упругое де­формирование микрообъемов металла, которое вызывает их уста­лостное разрушение и отделение частиц металла от поверхностно­го слоям. Рассмотрим   основные   виды абразивного   изнашивания

Изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы

         Этому виду изнашивания подвергаются ковши экскаваторов горный инструмент, камнеобрабатывающий инструмент и т. д. Данному виду изнашивания близок процесс шлифования при ме­ханической обработке.

         При изнашивании происходит упрочнение поверхностного слоя (наклеп) при механическом воздействии, однако возможно и раз­упрочнение поверхностного слоя в результате нагрева или физи­ко-химического действия жидкой среды, если она вводится для. охлаждения, промывки и т. д.

         Опытами М. М. Хрущова и М. А. Бабичева установлено, что относительная износостойкость e технических чистых металлов и отожженных сталей при трении о закрепленные абразивные частицы прямо пропорциональна твердости НВ этих металлов и сталей

                 (6.1)

где b - коэффициент пропорциональности.

         Аналогичная зависимость свойственна и полимерам. Для тер­мически обработанных (закалка + отпуск) конструкционных, ин­струментальных и легированных сталей

                    (6.2)

где e₀ - относительная износостойкость стали в отожженном^: состоянии; b' - коэффициент пропорциональности (зависит от хи­мического состава стали); НВ₀ - твердость стали в отожженном состоянии.

         Исследуя влияние соотношения твердости абразива (НВ_а) и твердости изнашиваемых материалов (НВ_м) на величину износа, М. М. Хрущов и М. А. Бабичев пришли к следующим выводам:

1. £0,7...1,1 износа нет и износостойкость ма­териала бесконечно велика;
2. <НВ_а / НВ_м<1,3... 1,7 износ есть, причем он тем больше, чем больше величина НВ_а / НВ_м;
3. ³1,3...1,7 относительный износ имеет конеч­ную и постоянную величину, не зависящую от НВ_а / НВ_м.

Изнашивание в абразивной массе.

         Изнашиванию в абразивной массе подвергаются рабочие орга­ны почвообрабатывающих, дорожных и строительных машин, ковши экскаваторов и канавокопателей и т. д. При этом виде из­нашивания износостойкость деталей прямо пропорциональна твер­дости их материалов. Существенное влияние на величину износа оказывает степень насыщенности массы абразивными частицами. В каждом конкретном случае существует определенная насыщенность массы абразивными частицами, при которой износ материа­ла достигает максимума. Различные грунты имеют различную изнашивающую способность. Так, если изнашивающую способ­ность глинистых грунтов принять за 1, то для песчаных она бу­дет 1,5, для суглинистых - 1,9, для супесчаных - 2,3. Важное значение при изнашивании в абразивной массе имеет химическая активность почв и грунтов, влажность грунтов, степень закрепленности абразивных частиц. С увеличением нагрузки износ линей­но повышается.

Гидро- и газоабразивное изнашивание

         Газоабразивное изнашивание наблюдается в котлах, работаю­щих на пылевидном топливе, в деталях пневмотранспортных ус­тановок; гидроабразивное - в деталях насосов, гидросистем, рас­пределителей, заслонок, вентилей, различных трубопроводов и т. д.

         Эти виды изнашивания возникают под действием твердых частиц, увлекаемых потокам жидкости или газа. Среда (жидкость или газ), в которой происходит перемещение абразивных частиц относительно поверхностей деталей, оказывает разупрочняющее действие на поверхностный слой материала. Процесс разрушения при этом виде изнашивания зависит от угла атаки a абразивных частиц. При a=90° возможно хрупкое, усталостное и полидеформационное разрушение микрообъемов поверхностного слоя. С уменьшением угла атаки (a<90°) повреждение материала про­исходит в результате среза, отрыва или полидеформационного разрушения с образованием коротких царапин.

         На интенсивность изнашивания влияют концентрация абразив­ных частиц, их форма, твердость, динамическая прочность, а так­же физико-механические свойства изнашиваемых материалов.

         Интенсивность изнашивания металлов I от действия струи аб­разивных частиц прямо пропорциональна скорости частиц v

                                  (6.3)

где а - коэффициент пропорциональности, зависящий от материа­ла детали и угла атаки; т - показатель степени, зависящий толь­ко от материала детали (для стали СтЗ т=2,3; для закаленной стали 45 m=2,5; для белого чугуна m=2,8; для базальта m=2,9).

         При изнашивании в струе абразивных частиц происходят сле­дующие процессы:

         а) разупрочнение поверхностного слоя детали;

         б) разрушение поверхности в результате высоких контактных напряжений;

         в) резание микростружек абразивной частицей;

         г) контактная усталость;

         д) выплавление микрообъемов материа­ла детали в результате высокой локальной температуры.

         Установлено,  что с повышением НВ_а / НВ_м > 1 интенсивность изнашивания в струе абразивных частиц резко возрастает.

Изнашивание исходно свободными абразивными частицами

         Этот вид изнашивания довольно широко распространен.   Несмотря на постоянное совершенствование средств защиты (воздушные и масляные фильтры, уплотнения) практически все узлы трения сельскохозяйственных,  дорожных,   горных, транспортных и многих других машин работают в условиях попадания между сопряженными деталями исходно свободных (незакрепленных) абразивных частиц (абразивная прослойка). Однако до последнего времени вопрос о механизме  изнашивания   этого рода не имел четкого однозначного ответа.   Новейшие   научные данные позволяют считать, что изнашивание исходно свободными абразивными частицами происходит в результате:

         а) микрорезания одной поверхности абразивными зернами, шаржированными в другую поверхность трения;

         б) усталостного разрушения одной поверхности вследствие многоциклового упругого или малоциклового пластического ее деформирования абразивными частицами, шаржированными в другую поверхность трения;

         в) усталостного разрушения обеих поверхностей трения из-за многоциклового упругого или малоциклового пластического их деформирования абразивными частицами, перекатывающимися между поверхностями трения.

         Если между поверхностями трения находится большое число абразивных зерен, то одна часть зерен закрепляется в поверхнос­тях трения, другая - перекатывается. Часть из этих зерен дро­бится, причем процесс дробления зерен влияет на механизм   изнашивания.

Механизм  изнашивания  исходно  свободными абразивными частицами

         Трущееся сопряжение с попавшей в него абразивной частицей представляет собой систему деталь - абразивное зерно - деталь. Эту систему можно моделировать в виде движущейся поверхности I, абразивного зерна и неподвижной поверхности II (рис. 6.2).

         Движение поверхности I относительно поверхности II может   быть   вращательным, поступательным или сложным, равномерным или ускоренным. Од­нако на малом участке за малый промежуток времени можно счи­тать, что поверхность I движется относительно поверхности II поступательно с мгновенной относительной линейной скоростью v.

         Абразивную частицу будем моделировать   тремя   радиусами (точнее, предельным случаем, когда одна из дуг заменена каса­тельной), а поверхности I и II - в виде чередующихся выступов и впадин (рис. 6.3). На рисунке a₁ и a₂ - углы профилей микро­неровностей поверхностей I и II (углы между плоскостями ос­нования сферических выступов и касательными к их боковым поверхностям);

         j - угол между продольной осью зерна и направлением отно­сительной скорости скольжения v. Средние значения угла a, полу­чаемые при различных видах механической обработки, приведены в табл. 5.1.

Таблица 6.1

Средние значения угла a профиля микронеровностей

Основные расчетные зависимости

         Рассмотрим модель системы деталь - абразивное зерно - де­таль с точки зрения соотношения моментов и сил, действующих на зерно, и оценим условия, при которых абразивное зерно, находя­щееся в произвольном положении, будет скользить без поворота или поворачиваться.

         В общем случае на абразивную частицу действует нормальная нагрузка N (перпендикулярная направлению скорости v). Пово­роту абразивной частицы вокруг какой-то мгновенной оси способ­ствуют приложенные к ней моменты сил трения скольжения (F₁ и F₂) и моменты тангенциальных составляющих (P₁ и Р₂) реакций в точках контакта частицы и поверхностей I и II (рис. 6.4.). Суммарный момент, способствующий повороту абразивного зерна (мгновенная ось поворота зерна - точка 0), равен

                  (6.4)

         Суммарный момент, препятст­вующий повороту абразивного зер­на, составит

                       (6.5)

         где Т₁ и Т₂ - силы сопротивления качению зерна.

         Абразивное зерно будет повора­чиваться при условии

М_сп > М_пр.                      (6.6)

         При М_сп £ М_пр возможны три случая:

         1) абразивное зерно закрепляется на движущейся поверхности I и скользит по неподвижной поверхности II. Этот случай реализуется при условии:

                                       (6.7)

т. е. когда сумма сил, прилагаемых к зерну поверхностью I, боль­ше суммы сил, прилагаемых поверхностью II;

2) абразивное зерно закрепляется на неподвижной поверхно­сти II и скользит по подвижной поверхности I:

                                       (6.8)

3) абразивное зерно скользит между трущимися поверхностя­ми, не закрепляясь ни на одной из них:

                                        (6.9)

Взаимодействие абразивных частиц с различными по свойствам поверхностями трения

         В процессах абразивного изнашивания большую роль играет шаржируемость, характеризующая способность поверхности дета­ли закреплять на себе попавшие в сопряжение абразивные час­тицы. Шаржируемость поверхностей трения зависит от их физико-механических свойств, микрогеометрии, наличия пленок окислов, смазки и т. д. Материалы с меньшей твердостью, как правило, сильнее шаржируются абразивными частицами. В сопряжении с различными по свойствам поверхностями трения одна из поверх­ностен (обычно менее твердая) обладает большей шаржируемостью. К хорошо шаржируемым материалам относятся серый и ковкий чугун, бронза, пластмассы.

         С понижением твердости материала износостойкость его сни­жается, поэтому менее твердая поверхность должна изнашиваться сильнее. Однако шаржирование поверхности абра­зивными частицами уменьшает интенсивность ее изнашивания (абразивные частицы закрепляются, на поверхности, потому не скользят по ней и не могут ее изнашивать). В то же время сопря­женная (более твердая) поверхность изнашивается более интен­сивно.

         Решение вопроса о том, какую поверхность трения - движу­щуюся или неподвижную - выполнять из более шаржируемого (менее твердого), материала, имеет огромное практическое зна­чение.

         Согласно предложенной И. В. Крагельским усталостной теории изнашивания, интенсивность изнашивания обратно пропорцио­нальна радиусу внедряющейся частицы в степени 1,5... 2, т. е.

                              (6.10)

         Как уже отмечалось, движущаяся поверхность I всегда кон­тактирует с объемным радиусом R абразивной частицы, а непод­вижная поверхность II - с радиусом выступа р, причем всегда R>р. Следовательно, когда абразивная частица закрепляется на неподвижной поверхности, она меньше изнашивает движущуюся поверхность, чем в том случае, когда она, закрепившись на движущейся поверхности, изнашивает неподвижную. Отсюда следует, что для снижения интенсивности изнашивания сопряжения непод­вижную поверхность необходимо изготавливать из более шаржи­руемого (менее твердого) материала, чем движущуюся. Этот теоретический вывод находит широкое практическое применение в технике. Так, обычно в сопряжении вал - втулка при вращающемся вале втулку изготавливают из чугуна, бронзы или пластмас­сы, а вал - из стали, зачастую с термически обработанной по­верхностью трения. Таковы многочисленные узлы трения сельско­хозяйственных, дорожных и других машин.

         С другой стороны, известны и примеры многих неудачных конструктивных решений узлов трения скольжения: при вращаю­щемся вале («прямая» пара) сочетание материалов пары трения вал - втулка было удачным, и, напротив, при тех же материалах вала и втулки, но вращающейся втулке («обратная» пара) по­добное сочетание оказывалось неработоспособным.

         В табл. 6.2 приведены результаты лабораторных испытаний на абразивное изнашивание «прямых» и «обратных» пар трения.

         Как видно из таблицы, износ «прямой» пары составляет 25-66 % от износа «обратной» пары. Таким образом, создаются ре­альные возможности для управления процессом абразивного из­нашивания (т. е. уже на стадии проектирования конструктор может установить методы борьбы с износом), исключается необ­ходимость повышения износостойкости обеих поверхностей тре­ния, выявляется четкий объект, требующий повышения износо­стойкости, - движущаяся поверхность. Неподвижная поверхность может быть изготовлена из менее износостойкого, но хорошо шаржируемого антифрикционного материала (ковкого или серого чугуна, бронзы, пластмассы и др.).

         С другой стороны, в отдельных случаях необходимо решать технологические задачи, связанные с необходимостью повышения интенсивности снятия стружки с обрабатываемой детали. Такая задача возникает при доводочных операциях механической обра­ботки, например при притирке, когда абразивные частицы высокой твердости (порошок корунда или карбида бора) вводятся между обрабатываемой деталью и инструментом - притиром. Притир изготавливают из материала, способного легко шаржироваться абразивными частицами. В результате относительных перемеще­ний притира и обрабатываемой детали закрепляющиеся на при­тире абразивные частицы скользят по поверхности обрабатывае­мой детали, изнашивая ее (снимая с нее стружку). С целью интенсификации процесса притирки следует основное рабочее дви­жение придать притиру, а обрабатываемая деталь должна оста­ваться неподвижной, либо совершать движение подачи. И совсем небезразлично, движется притир или обрабатываемая деталь: в  первом случае интенсивность процесса обработки выше.

Таблица 6.2

Результаты абразивного изнашивания «прямых» и «обратных» пар трения из различных по свойствам материалов

(скорость трения 1 м/с, нагрузка 450 Н, весовая концентрация абразива в смазке 0,2%, продолжительность испытания 2 ч)

{/spoilers}