Явления фреттинг – износа являются частой причиной выхода из строя подшипников скольжения. Обычно этот процесс сопровождаетсяфреттинг -усталостью и фреттинг-коррозией. Происходит это явление при действии нормальной силы и при взаимном скольжении деталей, особенно при колебательном движении с малой амплитудой. При этом в замкнутом пространстве процесс усугубляется наличием частиц износа. Возникающие поля напряжений являются причиной разрушения поверхностного слоя деталей [Л.1]. Большое значение имеет также шероховатость поверхностей. Фреттинг-износ может также приводить к недопустимому увеличению зазора в подшипнике. Несмотря на то, что фреттинг является распространенной причиной снижения долговечности подшипников, этот процесс ещё недостаточно изучен ввиду сложности происходящих в нем явлений.
Данная статья посвящена обсуждению основных факторов, влияющих на процесс фреттинга. Главное значение, по нашему мнению, имеет закон распределения давления в подшипнике и характеристики напряженно-деформированного состояния деталей в поверхностном слое. Безусловно, определяющую роль играет величина нормального давления и скорость скольжения, кроме того, важен материал подшипника, температура и наличие агрессивной среды. Причем, следует указать на взаимовлияние перечисленных факторов, из чего следует заключить, что нельзя проводить количественную оценку одного без учета других. Обычно повреждения в подшипнике нарастают с ростом нормального давления в пределах 50-70 Мпа, причем, дальнейший рост давления уже не приводит к заметному увеличению фреттинга. Причиной зарождения усталостных трещин является шероховатость поверхностей, поскольку именно во впадинах и зарождаются микротрещины под воздействием циклических напряжений. При схватывании поверхностей возникают и касательные сдвиговые напряжения. Было установлено, что микротрещины расположены перпендикулярно направлению скольжения и локализуются в зонах максимального контакта, как это видно из рис.1.
Рис.1 Пятна фреттинг-износа в местах локализации поверхностных трещин
Хотя основной причиной зарождения микротрещин является контакт шероховатостей, абразивный механизм разрушения также присутствует. Особое внимание следует обратить на влияние напряженно-деформированного состояния. Так, керамика обладает сверхчувствительностью к растягивающим напряжениям [Л.2], в то время как при наличии сжимающих напряжений существенно улучшается сопротивление фреттингу. В керамических подшипниках скольжения обычно повреждается поверхность цапфы вала, а керамический вкладыш менее изнашивается, хотя и на нём есть признаки фреттинг-износа из-за возникновения микротрещин вблизи пор. Тщательная обработка поверхностей, использование твердых смазок являются самыми действенными способами борьбы с фреттинг-износом. Эффективной мерой следует также считать нанесение на поверхности скольжения покрытий; при этом основной принцип, которым следует руководствоваться, состоит в том, что материалпокрытия должен обладать меньшим модулем сдвига, чем материал основы. Кроме того, современные технологии позволяют решить проблему самым эффективным, хотя и недешевым способом. Например, за счет нанесения наноструктурных антифрикционных керамических покрытий[Л.3]. Покрытиевыполнено из наноструктурного карбида кремния (SiC)и позволяет получить в подшипниках скольжения коэффициент трения 0,011-0,015, модуль упругости покрытия около 400 Гпа и твердость 90-92 HRC, при высокой прочности, 1800 Мпа. Стабильность свойств сохраняется в диапазоне рабочих температур от -50оС до +1300оС, что позволяет подшипнику противостоять всем видам фреттинга. Наиболее часто фреттинг встречается в радиальных сферических подшипниках скольжения.
Рис.2 Радиальный сферический подшипник скольжения
Такие подшипники, (рис.2) часто выполняют с применением промежуточных антифрикционных слоев, в частности, полимерных [Л.4] или из композита. На рис.3 показано: 1-корпус, 2-антифрикционный слой. 3-вкладыш.
Рис.3. Подшипник с антифрикционным слоем
С этой же целью применяют самосмазывающиеся подшипники, но они предназначены, в основном, для восприятия однонаправленной нагрузки. В условиях фреттинга их применять нежелательно. В этом случае хорошо зарекомендовали себя антифрикционные композиционные материалы, тефлон,а также тефлон, армированный стекловолокном; для удержания этого слоя в подшипнике предусмотрены специальные буртики, а для предотвращения фреттинг-коррозии можно применять литиевую смазку, отталкивающую воду [Л.5].
Применение в полусферическом шарнире [Л.6], изображенном на рис.4, разнотолщинного антифрикционного полимерного слоя, помимо демпфирования позволяет также выровнять нагрузку и, тем самым, снизить опасность фреттинга.
Рис.4. Полусферический шарнир с разнотолщинным антифрикционным слоем
Для таких подшипников ресурс определяется допустимым износомU антифрикционного слоя, который зависит от интенсивности изнашивания Jантифрикционного материала во времени, в соответствии с зависимостью (1):
В свою очередь, интенсивность изнашивания при определенной скорости скольжения зависит от величины контактного давления pв шарнире и может быть найдена, согласно обобщению данных лабораторных исследований[Л7] из выражения (2):
что позволяет оценить долговечность подшипника, ограничив допустимый износ антифрикционного слоя.
ЛИТЕРАТУРА:
- 1.Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. М.:Мир.1984.-624с.
- 2.Панова И.М. Особенности конструирования изделий из керамических материалов. Известия высших учебных заведений «Машиностроение» №4,2013г.
- 3.Патент на изобретение №2476736 РФ Зубарев Г.И., Климов Д.А. и др. 27.02.2013г.
- Дроздов Ю.Н. и др. Трение и износ в экстремальных условиях. Справочник, М.: «Машиностроение».1986-224с.
- 5.Интернет-ресурс:
- Патент на изобретение №2095648 РФ Дерлугян И.Д.; Логинов В.Т. и др.10.11.1997г.
- Панов А.Д. Панова И.М. Особенности определения долговечности полимерных подшипников скольжения. «Естественные и технические науки». Изд-во «Спутник+» №2, 2014г.[schema type=»book» name=»Фреттинг-износ подшипников скольжения» author=»Панова Ирина Михайловна, Язева Елена Анатольевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-29″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)» ebook=»yes» ]