ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ХАРАКТЕР И ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ И КОММУНАЛЬНЫХ МАШИН

Явление изнашивания элементов СДКМ представляет собой совокупность взаимосвязанных процессов и обусловлено различными по своей природе факторами. Для выявления полной совокупности факторов необходимо рассмотреть систему механизм — оператор — внешняя среда — режим работы — эксплуатационные воздействия. Под механизмом в данном случае подразумевается машина в целом, сборочная единица или сопряжение в зависимости от цели исследования. Рассматриваемую систему можно представить в виде функционального выражения:

где Э, К, Т — символы, объединяющие группу факторов соответственно эксплуатационных, конструктивных, технологических; О — фактор учитывающий влияние субъективных особенностей оператора.

В результате анализа явления изнашивания элементов СДКМ как системы выделены следующие основные факторы, определяющие их долговечность:

• • эксплуатационные — характер производимых работ; режимы использования механизма; виды и периодичность технических управляющих воздействий; климатические условия работы механизма; состояние смазочных материалов и рабочих жидкостей; состояние фильтрующих и уплотнительных элементов;
• • конструктивные — вид трения рабочих поверхностей; характер нагружения; концентрация напряжений; наличие защитных покрытий; наличие компенсаторов износа; кинематика и динамика работы механизма; соотношение материалов деталей сопряжения;
• • технологические — структура поверхностного слоя металла; методы обработки поверхности; наличие остаточных напряжений; качество сборки сопряжений; наличие технологических загрязнений (стружки, окалины и др.) в картерах и емкостях машины; показатели микрогеометрии поверхностей трения;
• • субъективные особенности оператора — уровень профессиональной подготовки (квалификация); антропометрические и психофизические данные (усилия, прикладываемые к рычагам управления, частота включения механизмов; быстрота реакции, утомляемость и др.)

Из эксплуатационных факторов наиболее важными являются характер производимых работ и режимы использования машины. От этих факторов зависят температурный, нагрузочный и скоростной режимы работы сопряжений, определяющие условия трения и изнашивания деталей. Управляющие воздействия: регулировочные, крепежные и смазочные операции, проводимые в процессе технического обслуживания. Они позволяют в значительной степени уменьшить отрицательное влияние агрессивных компонентов внешней среды и внутренних процессов, происходящих в элементах сопряжений, на долговечность машины. Поэтому от содержания и периодичности проведения технического обслуживания во многом зависит интенсивность изнашивания деталей машины. Это особенно важно для машин, работающих в сложных климатических условиях: при повышенной влажности или запыленности окружающей среды, при низкой или повышенной температуре окружающего воздуха.

Условия трения и изнашивания элементов сопряжений СДКМ в значительной степени определяются соответствием смазочных материалов и рабочих жидкостей конструкции сборочных единиц и условиям эксплуатации. Поэтому при проведении технического обслуживания необходимо строго соблюдать рекомендации по применению основных марок смазочных материалов и рабочих жидкостей или их заменителей, оговоренных в инструкции по эксплуатации машины. Большое значение имеет также состояние топлива, смазочных материалов и рабочих жидкостей, применяемых в соответствующих системах строительно-дорожных машин. При выходе показателей состояния за установленные пределы необходимо заменить смазочный материал или рабочую жидкость.

Важнейшими конструктивными факторами, определяющими характер и интенсивность изнашивания элементов машин, являются кинематика и динамика работы механизма. От кинематики относительного перемещения рабочих поверхностей деталей сопряжения зависят вид трения и условия изнашивания. Динамика работы механизма обусловливает характер нагружения и формирования полей внутренних напряжений в материалах деталей. Соотношение материалов деталей сопряжения оказывает решающее влияние на их фрикционное взаимодействие и, таким образом, на долговечность машины.

Из технологических факторов основными являются методы обработки поверхностей и качество сборки сопряжений. Метод обработки рабочих поверхностей деталей определяет структуру материалов и их физико-механические свойства, наличие остаточных напряжений, микрогеометрию поверхностей трения. От качества сборки сопряжений зависит размерная точность механизма, а также количество технологических загрязнений в картерах двигателей, коробок переключения передач, балансиров, редукторов, в баках гидросистем. Частицы стружки и окалины, попадая в зоны трения деталей, вызывают абразивное изнашивание поверхностей и значительно сокращают сроки службы сопряжений.

От субъективных особенностей оператора существенно зависит интенсивность изнашивания элементов дорожно-строительных машин. От квалификации оператора зависят не только усилия, прикладываемые к рычагам управления механическими передачами, частота и продолжительность включения механизмов, но и техническое состояние машины. Своевременное и качественное проведение мероприятий ежесменного обслуживания машины квалифицированным оператором является необходимым условием наиболее полной реализации уровня надежности, заложенного в конструкцию машины при ее проектировании и производстве.

Каждый из перечисленных выше факторов может быть в количественной форме оценен с помощью нескольких показателей. В аналитической форме это можно записать следующим образом:

где v — скорость относительного перемещения трущихся поверхностей; р — давление на поверхность трения; t — температура окружающей среды; W_a — запыленность, наличие абразивных частиц; W — влажность среды; 8 — зазор; x,ywz — основные линейные размеры деталей сопряжения;/ — коэффициент трения; а — температуропроводность; X — коэффициент-теплопроводности; h — толщина окисной пленки; S — поверхность теплоотдачи; t — температура трущихся поверхностей; С — средняя теплоемкость материалов пары трения; 5_и и — номинальная и фактическая площади контакта рабочих поверхностей; R — высота микронеровностей; 0 — угол наклона микронеровностей; НВ — твердость поверхности; т — частота; т — продолжительность включения механизма.

Общее количество факторов, оказывающих влияние на характер изнашивания элементов строительно-дорожных машин, составляет более сорока в зависимости от уровня сложности механизма и глубины исследования процесса изнашивания. Однако при работе механизма изменяются и оказывают решающее влияние на интенсивность изнашивания не все факторы. Для выявления наиболее значимых, определяющих факторов проводят различные исследования: лабораторные, полигонные, экспертные, эксплуатационные.

Влияние каждого фактора на интенсивность изнашивания в различных условиях неравнозначно. Так, кислород воздуха оказывает решающее влияние на интенсивность разрушения поверхностей металлических деталей в условиях окислительного изнашивания, но в условиях трения в абразивной среде к числу значимых факторов не относится. Однако из общей совокупности можно выделить ряд факторов, влияние которых проявляется достаточно ярко при любом виде изнашивания. Рассмотрим основные из них.

Влияние температуры поверхности трения. От температурного режима работы сопряжения зависит интенсивность изнашивания деталей. В процессе работы механизма значительная часть энергии расходуется на нагревание поверхностей трения. Температура поверхностей трения обусловлена конструкцией сопряжения (схема фрикционного контакта, условия теплоотдачи, материалы), режимом работы механизма, состоянием и количеством смазочного материала или рабочей жидкости, а также температурой окружающей среды.

Износ и интенсивность изнашивания рабочих поверхностей деталей сопряжений для большинства материалов с возрастанием температуры увеличиваются. Это объясняется тем, что при значительном повышении температуры происходит нарушение правильности строения кристаллической решетки, в результате чего на поверхности металла образуются свободные узлы, способствующие схватыванию поверхностей. При одновременном воздействии нагрузки и температуры повышается подвижность атомов и вместе с тем возрастает вероятность схватывания с последующим повреждением поверхности.

Интенсивность изнашивания манжетных уплотнений быстровра- щающихся валов зависит от температуры (рис. 4.17).

Для фрикционных элементов эта зависимость имеет такой же вид (рис. 4.18).

Аналогичное влияние повышение температуры оказывает и на интенсивность изнашивания металлических деталей. Зная зависимости t = ф(т) и J =(т), где т — среднее время непрерывной работы, для определенного типа сопряжений, а также режим работы механизма, можно рассчитать среднюю интенсивность изнашивания деталей сопряжений и ориентировочную величину ресурса.

В процессе работы сопряжения характер изнашивания деталей определяется сочетанием нагрузки и скорости. В общем виде зависимость износа от этих факторов для сопряжения вал — подшипник описывается выражением

где Л — параметр, характеризующий работу трения; р — нормальное давление; v — относительная линейная скорость перемещения поверхностей;/— коэффициент трения.

Если рассматривать влияние каждого из факторов на износ в отдельности, то получим, что наиболее сильное влияние оказывает давление. Влияние скорости сказывается в основном через изменение температуры. Коэффициент трения также изменяется при изменении температуры. Таким образом, основными факторами, опре-

Рис. 4.17. Зависимость интенсивности изнашивания манжетных уплотнений

от температуры

Рис. 4.18. Зависимость износа от температуры в зоне трения для фрикционных

элементов тормозных механизмов:

7 — из асбеста; 2 и 4 — из асбобакелита для сельскохозяйственных машин; 3 и 5 —

для строительных машин

деляющими характер изнашивания, являются нагрузка и температура.

По И. В. Крагельскому влияние давления на износ описывается в общем виде нелинейной зависимостью

где (3 — параметр микрогеометрии поверхности; т_у — параметр кривой усталости.

Такая зависимость характерна и для металлических деталей, и для пластмасс, и для эластомеров (резины). Для фрикционных элементов (рис. 4.19) интенсивность изнашивания

Здесь а = 1—3 — показатель степени.

Считается, что скорость скольжения не оказывает существенного влияния на изнашивание. Увеличение этой скорости вызывает рост

Рис. 4.19. Зависимость интенсивности изнашивания от нормального давления для фрикционных элементов сцеплений легковых автомобилей (по данным В.А. Соколова)

ЮЗ

температуры поверхности трения, следствием чего является соответствующее изменение интенсивности изнашивания.

Экспериментальные исследования с целью выявления зависимости И = ф(у)при р = const, t = const показали, что влияние скорости на износ незначительно. Для чистых металлов (медь, алюминий, молибден, вольфрам) характерно некоторое снижение интенсивности изнашивания с увеличением скорости относительного перемещения поверхностей.

Это вызвано уменьшением адгезионной составляющей силы трения. Кроме того, при повышении скорости скольжения возникают микроскопические пятна повышенной температуры. При малых скоростях температура этих пятен не оказывает влияния на свойства материала детали, так как теплота быстро отводится с поверхности трения. При повышении скорости относительного перемещения условия теплообмена ухудшаются, температура в тонких поверхностных слоях возрастает до температуры плавления металла. При очень высоких скоростях скольжения на поверхности деталей образуется микроскопический слой расплавленного металла, и процесс трения принимает характер сдвига жидкого слоя относительно твердой основы. В результате этого наблюдается уменьшение сил трения и интенсивности изнашивания (рис. 4.20). Для тугоплавких металлов (типа вольфрама) этот эффект проявляется меньше, поэтому меньше меняется / при увеличении скорости скольжения относительного перемещения поверхностей.

На интенсивность изнашивания триботехнических пар оказывает влияние наличие или отсутствие вибрационного воздействия.

Проф. А.И. Доценко совместно с инж. Т.В. Засимовой были проведены исследования по изучению влияния вибрационных нагружений на триботехнические характеристики пар трения. Исследования проводились на машине трения ИМ-58М (см. § 8.3) с использованием пары трения БрОФ 6,5—0,4 + сталь 38ХНЗМФА при нагрузке 491 Н, при частоте вибрации от 0 до 30 Гц. Пары трения смазывались пластичной смазкой литол-24 и моторным маслом.

Рис. 4.20. Зависимость интенсивности изнашивания от скорости относительного перемещения поверхностей

Из графика (рис. 4.21, а) видно, что коэффициент трения с течением времени понижается, причем, чем выше частота вибрации, тем меньше коэффициент трения. С увеличением частоты вибрации понижается и температура на контакте (рис. 4.21, б). При частоте вибрации 10 Гц она выходит за пределы допустимого температурного значения (120°С).

Одним из важнейших факторов, определяющих способность сопротивления материалов изнашиванию, является их структурное состояние, обеспечиваемое на стадии производства. Оптимальная износостойкость материалов обусловлена совокупностью свойств: физико-механических (высокое сопротивление сжатию, изгибу, значительные силы молекулярно-механического сцепления, большие твердость и вязкость при отсутствии хрупкости и др.); физических (большая теплопроводность, небольшие различия температурных коэффициентов расширения фаз и др.); физико-химических (высокая насыщенность и равномерность микрораспределения легиру-

Рис. 4.21. Зависимости коэффициента трения f{a) и температуры Т (б) от времени t при различных частотах виброколебаний.

ющих элементов сплавов, устойчивость против коррозии, химическая стабильность и др.).

Для обеспечения необходимой структуры материала детали проводят химико-термическую обработку, которую применяют:

• • для увеличения твердости рабочих поверхностей деталей (цементация, азотирование, нитроцементация, борирование и др.) и сопротивления абразивному и эрозионному изнашиванию;
• • для улучшения противозадирных свойств путем насыщения поверхностных слоев металла химическими соединениями, предотвращающими схватывание при трении (сульфидирование, се- ленирование, теллурирование и др.)

Одним из важнейших показателей физико-механических свойств материалов деталей является твердость. Установлено, что с увеличением твердости рабочих поверхностей металлических деталей их износостойкость повышается (рис. 4.22, а).

Однако при упрочнении материала необходимо обеспечить выполнение правила положительного градиента механических свойств по нормали к поверхности, чтобы не допустить повреждения при схватывании и увеличить долговечность детали в условиях усталостного изнашивания.

Шероховатость рабочих поверхностей деталей, обеспечиваемая при их механической обработке, влияет на продолжительность приработки сопряжения, обусловливает характер взаимодействия поверхностей при трении, а также вид и интенсивность изнашивания. Износ зависит не только от окончательной, но и от предварительной обработки рабочих поверхностей деталей. В зависимости от нагрузочного и скоростного режимов обработки детали изменяется структура материала поверхностного слоя, возникают остаточные напряжения, ускоряющие процесс разупрочнения и усталостного разрушения поверхности. Высота микронеровностей поверхности оказывает сложное влияние на интенсивность изнашивания

Рис. 4.22. Зависимость износа втулок: а — от твердости металла (БрАНЖ 10-4-4); б — от шероховатости рабочей поверхности (сталь 45)

(рис. 4.22, б). При очень малых значениях Rz создаются благоприятные условия для схватывания и интенсивного молекулярного-меха- нического изнашивания. С увеличением микронеровностей доля молекулярной составляющей силы трения убывает, но при этом возрастает механическая составляющая. В результате с увеличением Rz увеличивается износ поверхности. При больших значениях высот микронеровностей и относительно малой твердости противолежащей поверхности изнашивание может принять абразивный характер.

Значительное влияние на износ деталей и, следовательно, на долговечность машины оказывает режим приработки. Большие нагрузки на поверхности деталей в период приработки приводят к вырывам гребешков, образованию новых впадин и интенсивному износу поверхности (рис. 4.23, кривая /). При очень малых нагрузках процесс приработки протекает медленно (рис. 4.23, кривая 2), что снижает эффективность использования машины. Таким образом, существует оптимальный режим приработки, при котором износ поверхностей и время приработки будут невелики, а эффективность использования машины максимальна.

Из множества эксплуатационных факторов существенное влияние на характер и интенсивность изнашивания элементов машины оказывают вид, качество и количество смазочного материала, запыленность, характеризуемая концентрацией абразивных частиц в окружающей среде, влажность окружающей среды, а также периодичность и качество проведения операций технического обслуживания и ремонта машин.

Увеличение запыленности окружающей среды вызывает абразивное изнашивание деталей, отличающееся наиболее высокой интенсивностью. Основной мерой предохранения деталей машин, особенно работающих в условиях Средней Азии, от попадания абразивных частиц в зону трения из окружающей среды является герметизация сопряжений.

Рис. 4.23. Графическая зависимость износа сопряжения в период приработки: 7 и 2 — соответственно при больших и малых нагрузках; 3 — при повторной

приработке

Повышение концентрации воды в окружающей среде ведет к активизации коррозионных процессов разрушения элементов машин. Для защиты элементов машин от влияния влаги герметизируют сопряжения, применяют защитные покрытия и водостойкие смазочные материалы.

Периодичность и качество проведения операций технического обслуживания и ремонтов зависят от принятой на предприятии системы технической эксплуатации машин, а также от квалификации обслуживающего персонала. Большое значение при этом имеет наличие и номенклатура диагностических средств на предприятии.

Разборочно-сборочные операции при техническом обслуживании (ТО) и ремонтах вызывают резкое увеличение интенсивности изнашивания элементов сопряжения. Это является следствием нарушения установившейся равновесной шероховатости поверхностей деталей из-за изменения их взаимного положения и вызывает процесс повторной приработки (см. рис. 4.23, кривая 3).

Для повышения долговечности машины необходимо после проведения текущего ремонта обеспечить ее постепенное нагружение, чтобы создать благоприятные условия для приработки деталей.