Фреттинг как причина снижения надежности горных машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.194; 621.891 М.С. Островский

ФРЕТТИНГ КАК ПРИЧИНА СНИЖЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ ГОРНЫХ МАШИН

Рассмотрены особенности фреттинга как специфического вида поверхностного разрушения. Проанализированы причины возникновения фреттинга и указанны его вредные последствия в типовых узлах горных машин. Обсуждён механизм фреттинга и его основные закономерности. Приведены способы защиты от фреттинга.

Ключевые слова: горные машины, контактные взаимодействия, вибрация, фреттинг, трибомониторинг, фреттингостойкость, механизм фреттинга.

у Надёжность горных машин, одной из особенностей которых являются повышенные динамические нагрузки, во многом обусловлена процессами, происходящими в зоне контакта сопряжённых деталей.

К числу таких процессов относится фреттинг (от английского слова to fret - разъедать, подтачивать). Фреттинг (часто фреттинг-коррозия) - это специфический вид поверхностного разрушения, возникающий на контактирующих поверхностях сопряжённых деталей при их циклических микропроскальзываниях, создаваемых вибрацией. Причём, причины вибраций могут быть различными. Они могут генерироваться самой машиной, могут создаваться другими близрасположенными агрегатами, а могут возникать при транспортировке, либо из-за микросейсмов земной поверхности.

Минимальная величина относительных микроперемещений между сопряжёнными поверхностями, достаточная для возникновения фреттинга мала. По данным одного из первых исследователей фреттинга Томлинсона (G. Tomlinson, 1939 г.) её значение составляет несколько нанометров.

Известно, что при фреттинге значительно ухудшается качество поверхности детали. Существенно ухудшаются параметры шероховатости, возможно возникновение глубоких каверн, идущих вглубь поверхностных слоёв на 200 мкм и более. Наблюдаются разупрочнение структуры поверхностных слоёв и ярко выраженные следы коррозии.

Рис. 1. Возможные негативные последствия фреттинга

Развитие фреттинг-коррозии в узлах машин может вызывать следующие негативные последствия (см. рис. 1):

• повышение интенсивности изнашивания в парах трения, работающих с периодическими остановами в рабочем цикле машины;

• снижение усталостной прочности деталей подверженных фреттингу;

• нарушение точности и прочности посадок;

• потеря плавности хода и возможность заклинивания в парах трения, предназначенных для точных перемещений, и др.

Типовыми деталями и сборочными единицами машин и агрегатов, в которых чаще всего возникает фреттинг, являются: подшипники качения, муфты, фланцы, зубчатые передачи, шарнирные соединения, вариаторы, шлицевые и шпоночные соединения, болтовые и заклёпочные соединения, замки лопаток турбин, канаты, клапаны и золотники гидросистем, толкатели кулачковых механизмов, рессоры (см. рис. 2).

Известны случаи, когда наблюдался полный выход из строя вообще не работавшего оборудования в результате фреттинга, возникающего при транспортировании или хранении вследствие мик-росейсмических воздействий.

Фреттинг, как по своему внешнему проявлению, так и по закономерностям обладает рядом отличительных особенностей по сравнению с другими видами поверхностного разрушения. К числу таких особенностей, например, относятся следующие.

1. Скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей в условиях фреттинга существенно меньше по сравнению со скоростями при обычном трении скольжения. Среднее значение скорости при фреттинге в типичном случае составляет 1 -10 мм/с.

2. Относительно большая величина износа и серьёзные повреждения при фреттинге могут возникать при весьма малом пути трения.

КВАЗИНЕПОДВИЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Рис. 2. Типовые узлы и соединения, подверженные фреттингу

3. Затруднённость удаления продуктов разрушения из зоны контакта в условиях фреттинга из-за малости амплитуды проскальзывания.

4. Специфика продуктов разрушения при фреттинге. При фреттинге сталей на воздухе продукты разрушения представляют собой в основном ультрадисперсные (размером в поперечнике около нескольких сотен нанометров) частицы а - Fe2O3 до 85 - 90 % (остальное - другие окислы железа, а иногда частицы чистого железа).

5. Специфичный характер следов разрушения. При фреттинге стальных деталей на воздухе это, как правило, локальные следы коррозии ярко-бурого или кроваво-красного цвета. На профилограммах в местах разрушений наблюдаются как сглаженные блюдцеобразные повреждения, так и глубокие язвины.

6. Нередко наблюдается, что мягкий материал, контактирующий с более твёрдым (например, алюминиевый сплав с азотированной сталью), оказывается повреждённым фреттингом в меньшей степени, чем твёрдый.

7. Фреттингу подвержены такие не окисляющиеся материалы как золото, платина, стекло, кварц, рубин, полимеры. Фреттинг происходит также в вакууме и инертных средах, хотя интенсивность его при этом значительно ниже, чем в окислительной среде.

Относительно механизма фреттинга до сих пор нет единой точки зрения. Некоторые исследователи полагают, что при фрет-тинге главную роль играют физико-химические процессы коррозии, тогда как механические факторы имеют вторичное, сопутствующее значение. Другие же исследователи придерживаются равно противоположной точки зрения, считая, что сначала оксидный слой на поверхности должен вырасти до определённой толщины, прежде чем он будет удалён механическим путём, в результате трения. В инженерной практике эксплуатации машин, сталкиваясь с фреттингом, он часто, исходя из особенностей внешнего его проявления, классифицируется как некий вид «контактной коррозии». Однако следующие из этого рекомендации по устранению, как правило, не приводят к положительному эффекту.

Как показали результаты, полученные многими исследователями [1, 2], интенсивность развития фреттинга зависит от многих факторов, приведённых на рис. 3

Рис. 3. Влияние различных факторов на интенсивность фреттинга (] - увеличивают; I - уменьшают)

К числу их относятся: параметры внешнего механического воздействия (контактное давление, амплитуда и частота вибраций); физико-химические и механические свойства поверхностных слоёв и природа их материала, состав и свойства среды (температура, влажность, состав).

В научно-технической литературе приводятся многочисленные способы устранения фреттинга в различных элементах конструкций. Всё многообразие их можно свести к конструкторско-технологическим методам, приведённым на рис. 4.

СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЛЫ

Жидкие Консистентные Твёрдые

Рис. 4. Способы предупреждения фреттинга в узлах машин

Q

I

Рис. 5. Схема нагружения при испытаниях

Однако анализ существующих методов борьбы с фреттингом свидетельствуют о том, что они часто оказываются противоречивы и в одних случаях дают положительный результат, а при других условиях эксплуатации оказываются даже вредными.

Проводившиеся ранее исследования фреттинга основывались на измерениях либо потерь массы образца, либо объёма разрушенного материала. Такого рода исследования обладают рядом очевидных недостатков, главным из которых является то, что оставались скрытыми начальные стадии этого процесса. В наших исследованиях мы ставим задачей исследовать кинетику развития фрет-тинга. С этой целью нами создан метод трибомониторинга. Схема нагружения образцов в наших исследованиях показана на рис. 5.

К образцу 1 с плоской рабочей поверхностью усилием Q прижимается контртело 2 сферической формы. Кроме того на контртело действует периодическое тангенциальная сила T0 cos at, создаваемая вибратором электродинамического типа.

На созданной нами вибрационной установке нижний образец крепится с помощью упругих элементов так, что по деформации последних можно судить о величине сил трения, передаваемых от контртела нижнему образцу. Таким образом, измеряя при помощи пьезоакселеросметра микросмешения нижнего образца, можно судить об измерениях коэффициента трения в процессе испытаний.

Рис. 6. Осциллограмма сил трения

$ '10~ 15 го 25 30 35

______________%______________Вр&чя, мим

Рис. 7. Трибограмма фреттинга

На рис. 6. приведена одна из типичных осциллограмм сил трения, а на рис. 7. трибограмма, которая представляет запись амплитудного значения силы трения от времени.

На трибограмме можно видеть четыре этапа развития фреттинга. На первом этапе - I, характеризующимся некоторым уменьшением силы трения, происходит интенсивное пластическое деформирование микровыступов в зоне контакта. На втором этапе - II происходит диспергирование поверхностей в результате усталостных процессов и накопление продуктов разрушения в зоне контакта. Этап - III характеризуется разрушением граничных поверхностных слоёв, что сопровождается возникновением в отдельных ме-

стах фактической площади контакта адгезионных связей, сопровождаемых увеличением сил трения. На четвертом этапе - IV высокое значение величины силы трения стабилизируются в связи с образованием прослойки из окисленных продуктов фреттинг-коррозии, которые действуют как абразивный материал. Время т, соответствующее точке А, в которой наблюдается повышение силы трения, принято нами в качестве критерия фреттингостойкости трибосопряжений.

Как показали наши исследования, фреттингостойкость зависит от многих параметров

где Ra - среднее отклонение микропрофиля; А - амплитуда микро-проскальзований; Q - номинал нагрузки; и - частота вибраций; к1 и к2 -эмпирические коэффициенты, зависящие от состава и физикомеханических свойств материала образцов, от свойств среды.

На Рис. 8. приведены характерные типы трибодиаграмм, полученные при различных условиях испытаний.

Трибодиаграмма 1 - низкая фреттингостойкость, которая соответствует испытанию стальных образцов без покрытий и в отсутствии смазочных веществ в зоне контакта.

Трибодиаграмма 2 - соответствует испытаниям с нефтяными маслами без эффективных присадок.

Трибодиаграмма 3 - масла с высокоэффективными присадками.

Трибодиаграмма 4 - формирование регенерируемых поверхностных наноструктурных слоёв, обеспечивающих наиболее высокую фреттингостойкость трибосопряжений.

В нашем случае (см. рис. 5) нормальное давление имеет гер-цевское распределение

где qo - максимальное давление в центре пятна контакта; а - радиус пятна контакта; г - радиальное расстояние от пятна контакта.

Рис. 8. Различные типы трибодиаграмм

При приложении тангенциальной силы, меньшей силы трения покоя ц^, согласно теории Каттанео-Миндлина, в области контакта возникают две зоны: зона сцепления поверхностей, ограниченная радиусом с и кольцевая зона ^ ^ ^ & гдс возникает микро-

проскальзывание (см. рис. 9, а). При увеличении тангенциального усилия зона с уменьшается

-=(1 Т

так что в пределе, когда Т достигает своего предельного значения Т , равно силе трения покоя

Т* = ^0

начинается макропоскальзование, а трение покоя переходит в трение скольжения. На опыте в этот момент наблюдается скачкообразное увеличение амплитуды смещения. Экспериментальные данные также свидетельствуют о том, что фреттинг начинает развиваться в кольцевой области ^ г а (см. рис. 9, б.).

Величина диссипированной энергии за один цикл реверсивного скольжения в зоне контакта может быть рассчитана из выражения, полученного Миндлиным

9ц20% /2 - 2 -у2\ ( т, 5Т, г Т,

№ = ^ ^ х 1 - (1 - —)5/3 - 1 — (1 — —-)2/3

10а \ ^ б2 / (. ц0о 6ц00 V 1x0о 1)

где «1 и и2 - коэффициенты Пуассона материалов образцов и контртела; G1 и G2 - модули сдвига образца и контртела.

Подавая сигнал, пропорциональный величине тангенциальной силы на вертикально отклоняющие пластины катодного осциллографа, а сигнал, соответствующий смещению образцов на горизонтальные пластины получали петли гистерезиса, площадь которых пропорциональна величине рассеянной за цикл энергии (см. Рис. 10).

На Рис. 11 Представлено изменение величины удельной энергии, диссипированной на один цикл в зоне контакта, (т.е. отношения величины этой энергии, к объёму деформированного в зоне контакта материала) от величины амплитуды проскальзываний.

Как видно из графика, эта зависимость носит экстремальный характер. Максимальной величине удельной энергии, диссипиро-ванной в зоне контакта, соответствует момент перехода от трения покоя к трению скольжения. При таких режимах испытаний реализуются самые жёсткие условия фреттинга.

Поток внешней энергии в виде мощности трения передаётся к динамически деформируемому в зоне трения объёму материала и вызывает в нём различные необратимые превращения. В том числе, часть объёма в результате многократных знакопеременных воздействий превращается в продукты разрушения. Продолжительность таких многократных динамических воздействий определяется соотношением предельных свойств деформируемых объёмов материала и среднего значения отдельных внешних импульсов в виде амплитуды напряжения или энергии трения. Особенности распространения в виде волн в динамически деформируемых объёмах материала в зоне контакта обуславливает возникновение в них диссипативных структур.

На рис. 12 показан характерный вид пятна разрушения при фреттинге. На фотографиях хорошо различимы зоны пластического деформирования (светлые участки поверхности), и следы абразивного действия запертых в зоне контакта продуктов разрушения.

ЦпО

1 1 1 1 , і п /Т~Т~- д\л/ І_І 1 к— * ^

/ 5, смещение

Рис. 10. Гистерезисная петля: тангенциальная нагрузка - перемещение

Рис. 11. Зависимость величины удельной энергии, рассеиваемой в зоне контакта от амплитуды проскальзывания при давлениях qср: Д - 10 МПа; о - 20 МПа; • - 30 МПа

Рис. 12. Характер разрушения при фреттинге. Слева: вид пятна разрушения. Диаметр сферы - 12 мм, материал образца - сталь 30ХГСА, масло «Шахтол - У», контактное давление - 60 МПа, амплитуда смещения - 20 мкм, частота вибраций -30 Гц, количество циклов - 5103. Увеличение 40х. Справа: профиллограммы различных участков поверхности

Электронно-микроскопический анализ эволюции микроструктуры поверхностных слоёв при фреттинге позволил установить интенсивное развитие явлений, вызванных значительными знакопеременными напряжениями и сопровождающихся конкурирующими процессами упрочнения и разрушения. На первой стадии фреттин-га наблюдается упрочнение поверхностных слоёв вблизи зоны контакта и циклическая текучесть подповерхностных слоёв. Большая часть микровыступов при этом деформируется пластически. На этой стадии происходит интенсивное накопление дислокаций в поверхностных слоях, что способствует упрочнению металла в локальных объёмах. В дальнейшем множественное зарождение точечных дефектов типа вакансий приводит к развитию процесса разрыхления структуры, а в последующем к разрушению. Анализ зон повреждаемости, которые расположены вблизи, но не участвующие непосредственно в контакте, свидетельствуют о многообразии структурных изменений в приповерхностных объёмах металла, в которых происходят интенсивные знакопеременные сдвигообра-зования.

Рис. 13. Участки контакта, полученные с помощью растрового электронного микроскопа: сталь 30ХГСА, увеличение 1000х:

а) - квазиаморфный поверхностный слой; б) - рельеф поверхности, созданный циклическими волновыми течениями металла; в) - разрыхлённая поверхность с локальными глубинными повреждениями

Специфика рассмотренных выше процессов обусловлена особенностями влияния циклического изменения напряжения на образование и движение дислокаций в поверхностных слоях металла. Вибрационный характер нагружения приводит к интенсивной активации источников дислокаций при напряжениях в несколько раз меньших статического процесса текучести. Подобное развитие процесса характерно для усталости металла.

Нагромождение и скопление дислокаций в деформируемых объёмах материала с гетерогенной структурой может приводить к сильному локальному упрочнению в одних местах, а в других к зарождению большого количества точечных дефектов, способствуют процессам диффузии, распада твёрдого альфа раствора аустенита, что и вызывает разрушение структуры металла вокруг упрочнённых локальных зон (см. рис. 13).

Обнаружено также, что тончайший поверхностный слой металла при определённых условиях может переходить в наноструктурное состояние. Эти поверхностные слои с неупорядоченной ультрадисперсной структурой, могут возникать на ранних стадиях фреттинга и самовоспроизводиться при дальнейших испытаниях. Они дают характерное размытие колец на электронограммах микродифракций (см. рис. 14).

Рис. 14. Дислокационная структура стали 1Х18Н9Т в зонах повреждаемости при фреттинге 30000х: а) - электронная микрдифракция и электрограмма микродифракции в отожженном состоянии; б) - зона пластической деформации; в) -зона неупорядоченной наноструктуры

Заключение

1. Разработан метод трибомониторинга, позволяющий выявлять различные стадии развития фреттинга.

2. Особенностью фреттинга является высокая концентрация энергии, циклически диссипируемой в локальных зонах контакта.

3. В зоне контакта при циклических, реверсивных микропро-скальзованиях могут формироваться самовозобновляемые наноструктурные слои, защищающие детали от фреттинга.

1. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг-коррозия, Л.: «Машиностроение», 1976, 271 с.

2. Голего Н.Л., Алябьев А.Я., Шевеля В.В. Фреттинг-коррозия металлов, К.: «Техника», 1974, 269 с.

3. Островский М.С. Триботехнические основы обеспечения качества функционирования горных машин, М.: МГИ, ч. 1 и 2, 1993, 390 с. шгд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------

Островский М.С. - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, umo@msmu.ru