Происходит преобразование механической энергии в тепловую, около 30% всей вырабатываемой энергии расходуется на преодоление трения
| Вид материала | Документы |
- «Использование экологически чистых источников энергии», 172.37kb.
- Основы возобновляемой энергетики – Лекция, 456.25kb.
- Сверхъединичные теплогенераторы – блеф или реальность?, 276.71kb.
- Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую, 55.07kb.
- 1. Основные понятия и обозначения электрических величин и элементов электрических цепей., 277.03kb.
- О тарифах на тепловую энергию и услуги по передаче тепловой энергии для потребителей, 196.87kb.
- Рабочей программы дисциплины Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (наименование), 32.41kb.
- Калугина Светлана Владимировна Моделирование систем хранения с целью уменьшения потребления, 400.87kb.
- Расчет сложных цепей постоянного тока, 93.75kb.
- Острова в океане темной энергии игорь Караченцев и Артур Чернин, 154.11kb.
Термодинамика изнашивания
Основными задачами теории изнашивания являются установление критериев с помощью которых можно определить:
- скорость или интенсивность изнашивания;
- наступление критического состояния поверхностного слоя;
- переходы одного вида изнашивания к другому.
В основе исследования процессов лежат 1й и 2й начало термодинамики
1...
2. Принцип увеличения энтропии при необратимых процессах дельта S.
Трибосистемы являются открытыми термодинамическими системами (обмениваются внешней средой энергией и веществом)
Трение является процессом преобразования внешней механической энергии во внутреннюю энергию в виде колебательных и волновых движений частиц трибосистемы. Это явление сопровождается термической, термоэлектрической и рядом других энергий.
Наибольшая часть энергий отдается во внешнюю среду, а другая часть идет на изменение физико-химического состояния поверхностного слоя. Wт = Q +дельтаE. При диссипации энергии всегда наблюдается увеличении энтропии дельта S > 0. Энергия дельтаE складывается из энергии идущей на изменении структуры материала Еσ и из энергии идущей на изменении температуры Ет. дельтаЕ=Еσ +Ет.
В основе термодинамического подхода изнашивание твердого тела лежит энергетическая эдиология (механическое разрушение) и термического (при плавлении и сублимации).
Энергия (работа) затрачиваемая на деформирование и разрушение твердого тела. При этом допускается, что термодинамические свойства не зависят от структуры материала. Тело рассматривается как сплошная, единородная, изотропная среда со статическим равномерно распределенными структурными элементами. Пластическое деформирование рассматривается как совокупность большого числа микроскопических атомов атомолекулярных перегруппировок а следовательно появление большого числа дислокация. Скорость пластической деформации определяется скоростью генерирования и движения элементарных рефентов. Разрушение объема материала происходит тогда, когда плотность дефектов и повреждений достигнет критического состояния. Есть эксперимент, доказывающий что корреляция относительного износа материала при кавитационном и изнашивании со скрытой теплотой плавления материалов. Пластичная деформация в рассматриваемой модели изнашивания жестко пластичного тела протекает в условиях неоднороднсоти напряженного состояния, температуры и химического потенциала. Это изнашивание характеризуется механической, термической и физико-химической обстановкой.
В соответствии с принципом Ла Шателье всякое внешнее воздействие выводящее тело из равновесия инициирует в нем процессы, которые ослабляют результат этого воздействия.
Образование разрыва сплошного материала при появлении дефектов структуры должно вызывать перенос массы от определенного материала к месту дефекта.
Развитие пластического деформирования определятся соотношением конкурирующих потоков энергии. При пластичной деформации возникают следующие потоки энергии:
- поток освобождаемой упругой энергии;
- поток энергии разрушенного идущей на раскрытие трещин;
- поток теплоты массы и дислокаций.
Каждый из этих потоков необратим. Общий вид уравнения для превращения энергии при деформации:
ρTdS = ρdU – σikdεik – φidzj - Akdαk
dS – удельное значение энтропии;
dU – удельное значение внутренней энергии
ρ и Т – плотность и температура;
σ и ε – компоненты тензоров движения и деформации;
φ – изменение химического потенциала;
z – локальная концентрация компонентов;
Ак – обобщенные силы и координаты.
Условие протекания деформационных процессов в поверхностных слоях осложняются наличием свободной поверхностной энергии и внешней среды.
При трении протекают 2 конкурирующих процесса:
- диссипативные, связанные с рассеянием энергии и диспергированием;
- процессы структурного упрорядочивания поверхностного слоя и его упрочнения.
Абразивное изнашивание
Абразивное изнашивание - это механический вид изнашивания в основом в результате режущего или царапающего действия
абразивные частицы, обладая большей твердостью чем исходный материал разрушают поверхность деталей и резко увеличивают износ
Абразивное изнашивание – наиболее распространенный вид изнашивания, а в дорожный машинах более 60% приходится на абразивный износ.
в соединениях SiO2; Fe2O3; Al;Ca;Na;Mg
наиболее часто приводят твердость SiO2 M2O3
для кремния SiO2 10780-11000 МПа, алюминия M2O3 20900-22000
В качестве абразивных частиц могут также быть продукты износа и выпавшие из масла, в процессе работы, присадки.
Если твердость абразивной частицы соизмерима с твердостью поверхности то при работе сопряжения абразивная частица будет препятствовать разрушению окислой пленки. В результате поверхность металла обнажается и на этом участке под действием окружающей среды активизируются коррозионные процессы и как следствие коррозионное изнашивание.
Когда абразивная частица по твердость ~1.7 то наблюдается пластическое оттеснение. Если > 1.7 то пластическое оттеснение переходит микрорезание.
Интенсивность изнашивания прямопропорциональна твердости абразивных частиц и поверхности большей твердости обладают большей абразивной износостойкостью.
Абразивное изнашивание является одним из наиболее быстро протекающих процессов разрушении детали при трении.
Для снижения абразивной составляющей изнашивания твердость рабочих поверхностей детали должна быть Нмет ~1.3 На.
Эффективность методов защиты детали дорожных машин от абразивного изнашивания обеспечивается герметизаций сопряжений, обеспечения частоты применяемых топлив смазочных материалов и технических жидкостей. Упрочнение непосредственно поверхности из которой изготовлены элементы машин.
Методы повышения абразивной износостойкости поверхности
| Методы | Материал детали | Формы проявления |
| Нанесения гальванических покрытий (хромирование, никелирование) | Большинство черных и цветных металлов | Образуется тонкое и гладкое покрытие |
| Анодирование | Алюминий, Al2O3 пленка до ~ 300 мкм | Образование материала повышенной твердости |
| Насыщение (цементация, ционирование, азонирование) | Малоуглеродистые стали | Образуется слой повышенной твердости |
| Напыление (металлизация, наплавка порошкового металла, напыление керамики) | Металлические и полимерные материалы | Формирование слоев взаимосвязана с частичноокисленных частиц |
| Окильная отливка | Серый чугун | Образование на поверхности слоя белого чугуна |
| Плазменная закалка | Для чугуна и сталей | Повышение локальной твердости поверхности |
| Лазерное упрочнение | Для чугуна и сталей | Повышение твердости материала детали в твердых поверхностных слоях |
Повышение твердости поверхности при выкраивании вызывает образование продуктов износа повышенной твердости, а под действием их происходит микрорезание и повышенный абразивный износ.
С повышением твердости поверхность материала становится хрупкой и разрушается под действием динамической нагрузки.
Газо и гидро абразивное изнашивание – аброзивное изнашивание в резльтате действия твердых частиц взвешенных жидкости или газе и перемещающихся относитильно изнашиваемого тела.
Гидроабразивное изнашивание характерно для элементов топливной аппаратуры, двигателей внутреннего сгорания, объемного гидропривода, деталей гидродинамических передач. Носители – жидкости…
Газоабразивное изнашивание в элементах компрессоров и пневматического элемента. Носители – сжатый воздух.
I=KVm
К – коэффициент зависящий от свойства абразива параметров потока жидкости или газа
V – скорость потока
m – показатель степени, зависит от материала детали.
Часть показателей как m и K табличные.
С увеличением размера абразивных частиц до 100 мкм монотонность абразивных частиц сильно возрастает.
Присутствие влаги резко увеличивает интенсивность изнашивания, особенно при повышенных температурах, мероприятия направлены на повышения износостойкости поверхности при гидро и газо абразивного изнашивания, относится также увеличение твердости материала, применение эластомеров, герметизация сопряжения, обеспечения частоты рабочей жидкости и газа.
При определении гидроизнашивании необходимо отличать от гидро- и газоэрозионного изнашивания, изнашивание эрозионное, гидроаэрозионное, ковитационное изнашивание.
Эрозионное изнашивание – механическое изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа.
Гидроэрозиооное, газоэрозионное – изнашивание эрозионное изнашивание в результате потока жидкости или газа.
Ковитационное изнашивание – гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления и температуры.
Наиболее часто изнашивание встречается в элементах трубопровода и в коллекторе, отсутствие абразивных частиц.
Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов поверхностного слоя.
Усталостное изнашивание в большинстве случаев сопутствующий вид изнашивание.
Процесс усталостного изнашивания обычно связан с многократными циклами нагружений в контакте скольжения или качения.
В процессе взаимодействия поверхностей в верхних слоях возникают поля напряжений.
В процессе трения на рабочей поверхности возникают максимальные напряжения сжатия, клубение материала детали, распростроняется направленные касательные напряжения, максимумы которых концентрируются на концах поверхности.
Интенсивность изнашивания определяется рядом факторов:
- Наличие остаточных напряжений и поверхностных концентраторов напряжений.
- Качество поверхности, микропрофиль, загрязнение, вмятины, задиры, канавки.
- Распределение нагрузки сопряжений (упругие деформации перекосы, зазоры)
- Вид трения.
- Наличие смазочного материала.
По Крагельскому: частицы износа с поверхности трения могут отделятся и без внедрения одной детали в поверхностные слои другой детали сопряжения. Изнашивание происходит вследствии усталости микрообемов материала, возникающих в результате многократного сжимающих и растягивающих усилий под действием нагрузки не превышающей критическую.
В результате циклического действия нагрузки на поверхности детали образуется усталостные микротрещины, которые постепенно смыкаясь, приводят к образованию частиц износа - фрикционо-контактная усталость.
При механическом взаимодействии деталей в поверхностных слоях возникают сложные напряженные состояния (перед выступом зона сжатия, за выступом зона растяжения).
Когда знакопеременная цикловая нагрузка в микрообъемах материалов накапливаются напряжения снижающих прочность и накопление усталостных микроповреждений ведет к разрушение поверхностного слоя в зоне трения.
K
P 
В
зависимости от соотношения нормлаьной и тангенциальной составляющей сил в контакте а также от структуры материала и его физико-механических свойств первичная микротрещина может зародится и в подповерхостном слое.Тогда
Подповерхостные микротрещины наиболее часто образуются у деталей с неоднородной структурой материала: азонтированные, цементированные, поверхостнозакаленные, детали, работающие при больших контактных напряжениях.
Типичные области повержены усталостному изнашиванию: относильно гладкая которая формируется по краям в резльтате трения двухстороннего микротрещины, ее раскрытия и смыскания; 2-я - шероховатая поверхность старого металла, расположенная на дне раковины.
ЛЕКЦИЯ
Способность детали сопротивляться усталостному изнашиванию оценивается временем работы в заданных условиях до отрыва частиц металла или максимальным контактным напряжением при котором не наступает питтинг при заданном числе циклов нагружения. Наибольшее влияние на развитие усталостного изнашивания оказывают условия трения.
Рассматриваем нагрузку и температуру
τ μ НВ
N
НВ
Смазывающие материалы уменьшают напряжения, действующие в контакте, в результате процесс образования микротрещин в начальной стадии идет медленно.
Усталостное изнашивание наблюдается в условии высоких контактных нагрузках при одновременном качении и проскальзывании одной поверхности под другой (зубчатые колеса, тяжело нагруженные шестерни)
По мере увеличения износа повышается шум и вибрация.
Усталостное изнашивание умеренное не является для большинства пар трения опасным и детали, которые имеют умеренное усталостное изнашивание, могут использоваться достаточно большой промежуток времени.
Прогрессирующее усталостное изнашивание возникает при высоких контактных напряжениях, сопровождается интенсивным разрушением поверхности и может привести к поломке детали.
При интенсивном абразивном изнашивании рабочие поверхности изнашиваются быстрее, чем образуются изнашивающие трещины.
Усталостное изнашивание – не основной вид изнашивание, а всегда сопровождает другие виды изнашивания.
Изнашивание при заедании – происходит в результате схватывания глубинного вырывания материала переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность
Изнашивание при заедании – наиболее опасное и разрушительное, сопровождается прочным соединением контактирующим поверхностей трения.
В механизме изнашивания при заедании важную роль играет атомно-молекулярное взаимодействия материалов деталей, возникающее при сближении поверхности.
При заедании поверхности разрушение наступает довольно быстро и приводит к тяжелым формам разрушений.
Процесс образования металлических связей зависит от свойств сопряженных поверхностей (твердость и природа) и зависит от методов обработки сопряженных поверхностей.
При наличии на поверхности окисных пленок процесс заедания зависит от свойств окисных пленок.
Изнашивание при заедании происходит при нарушении правила положительного градиента положительных свойств в условиях трения без смазочного материала или недостаточном его количестве.
При трении качения в условиях граничной смазки наблюдается изнашивание, вызванное схватыванием материала и заеданием.
Схватывание происходит при местном разрыве смазочной пленки и установлении металлического контакта.
Интенсивности при изнашивании зависит:
- От режимов работы сопряжения
- Скорости относительного перемещения
- Нагрузки
- Температурных условий
Различают заедание в результате схватывания первого и второго рода
Процесс схватывания 1го рода возникает при малых скоростях скольжения поверхности трения, малой скорости (от 0.005 до 0.2) и давления от 5..100 *105 Па
превышающих предел текучести металла на участках фактического контакта.
Этот процесс сопровождается незначительным повышением температуры и приводит к интенсивному пластическому деформированию и разрушению поверхности детали
При этом, наблюдается интенсивное изнашивание возрастающее с увеличением давления (область I), т.е. схватывание 1ого рода в диапазоне скоростей 0.005..3.3 м/с и давлении 105 Па наблюдается окислительное изнашивание поверхности относительно малой интенсивности. С увеличением давление окислительное изнашивание увеличивается.
Прекращение схватывания 1ого рода происходит поскольку скорость относительного перемещения поверхности относительно велика, длят того чтобы металлические связи разрушились в процессе своего зарождения без повреждения поверхности.
Давление недостаточно велико для герметизации зоны трения в результате чего свободной поверхности выступают воздух и изнашивание принимает окислительный характер.
В зоне II давление настолько велико, что металлические связи образуются несмотря на высокие скорости, окислительное изнашивание прекращается и развивается процесс схватывания 2ого рода вызывающий заедание и интенсивное изнашивание.
Процесс схватывания 2ого рода развивается при больших скоростях поверхности трения и повышенного давления, наблюдается значительное увеличение температуры в поверхностных слоях, которое вызывает разрушение.
Условия благоприятные для возникновения схватывания металла создаются путем…
Силы, действующие в местах фактического контакта, вызывают напряжение превышающее предел текучести металла, а это влечет за собой пластическое деформирование и пластические деформации поверхностных слоев, адсорбционные пленки разрушаются и обнажаются отдельные участки металла, происходит сглаживание неровностей.
При увеличении площади фактического контакта и разрушении адсорбционной пленки возникают межатомарные взаимодействия, образуются металлические связи.
Для предотвращения заедания нужно правильно выбирать смазочные материалы.
Используем противозадирные присадки, более вязкое масло, мягкие сплавы, подбираем материалы с соблюдением правил положительного градиента и создаем такие режимы смазывания, чтобы была оплошность масляной пленки
ЛЕКЦИЯ