ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 6, 2004
УДК621.891:539.62
© 2004 г. Копченков В.Г.
МЕХАНИЗМЫ ИЗНАШИВАНИЯ ЭЛАСТОМЕРОВ В УСЛОВИЯХ КОНТАКТНО-ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ
Разработаны модели поверхностного разрушения и механизмы изнашивания эластомеров для различных условий контактно-динамического нагружения. Установлены основные факторы, определяющие повышение долговечности гуммированных деталей машин.
Можно выделить большую группу деталей машин и оборудования, подвергающихся изнашиванию вследствие ударного воздействия твердых абразивных частиц, двигающихся с различными скоростями. Отличительными признаками трибоконтакта являются: переменная по величине, времени и направлению действия сила, т.е., динамический характер воздействия, кратковременность, дискретность контакта, а также малая величина или отсутствие длительного скольжения или качения. Совокупность этих признаков позволила терминологически определить характер нагружения как контактно-динамический. Он включает ударный и безударный режим контактного нагружения.
Закономерности изнашивания в условиях контактно-динамического нагружения исследовались в ряде работ [1-8]. Для уменьшения интенсивности изнашивания предложены различные методы защиты рабочих поверхностей. В последние годы при конструировании промышленного оборудования, предназначенного для работы в различных абразивных средах, стали все шире использовать принцип податливости. Наиболее полно роль податливости проявляется в гуммированных деталях машин [1]. В работах [1-3] было показано, что износ гуммированных деталей в потоке твердых частиц имеет релаксационную природу, которая обуславливает существование критической скорости удара и переход к наиболее опасному квазихрупкому механизму износа резин при критических и сверхкритических скоростях удара частиц. Это ограничивает их применение.
При скоростях удара ниже критических, т.е. скоростях, при которых работают большинство гуммированных деталей машин, износ высокоэластичных материалов также имеет релаксационную природу и изнашивание имеет усталостный или совместный усталостно-абразивный вид. Для его количественной оценки предложен [3] комплексный критерий - плотность поглощенной энергии е = %Цк/Ук
Предполагается, что усталостный износ резин в потоке твердых частиц при скоростях ниже критических является кинетическим процессом зарождения, накопления и развития в деформированном объеме различного рода дефектов и повреждений. Их наличие характеризуется уровнем плотности поглощенной энергии, а безразмерная энергетическая интенсивность износа выражается соотношением 1ц = ¡це = %(%^Й/Уд), где ¡ц - удельный энергетический износ, Цк - кинетическая энергия частицы, Уд - деформированный объем резины, % - коэффициент механических потерь при ударе.
Дальнейшее повышение износостойкости резиновых футеровок в значительной степени связано с изучением механизма разрушения резин при контактно-динамическом нагружении для скоростей ниже критических.
Изнашивание эластомеров потоком частиц в условиях ударного нагружения поверхности имеет свои особенности и существенно отличается от простого скольжения. В настоящее время для этих условий нет классификации видов изнашивания, сформировавшегося представления о механизме изнашивания и этапах разрушения эластомеров в потоке твердых частиц. Для того чтобы получить ответы на эти важные вопросы, весь комплекс явлений при изнашивании и факторы, определяющие характер протекания процессов разрушения, разделены на более простые составляющие части и проведено их исследование. Исследования проводили применительно к абразивным частицам с достаточно высокой степенью окатанности.
Первоначально были выяснены этапы эволюции поверхностного разрушения резины в условиях единичного удара частицы под прямым углом, затем под произвольным углом к поверхности резины. Для этого были разработаны установки для моделирования удара. Удар под прямым углом моделировали на установке, представляющей кри-вошипно-ползунный механизм с регулируемой скоростью движения ползуна, на котором установлен индентор [9]. Для моделирования косого удара использовали схему с качающимся ползуном (камнем кулисы), имеющим возможность перемещаться по двум координатным осям. Индентору, установленному на штоке (кулисе), можно задавать траекторию движения, копирующую траекторию движения частицы при ударе под углом к поверхности.
На следующем этапе исследовали изменение топографии изнашиваемой поверхности в условиях множественного удара. Удар создавали потоком частиц абразива с помощью центробежного ускорителя [1] и пескоструйной установки. Для исследования механизма разрушения при гидроабразивном изнашивании была применена установка струеударного типа [1].
Анализ топографии поверхностного слоя при прямом ударе частицы позволил установить, что существуют два механизма изнашивания: деструкционный и "выкрашиванием".
В результате периодического воздействия на материал в объеме диссипации энергии складываются различные, по уровню деструкции материала, состояния в зависимости от глубины его расположения от поверхности. Тонкий поверхностный слой подвергается особо интенсивной усталостной деструкции. Под действием поля механических и температурных деформаций происходит разрыв межмолекулярных и внутримолекулярных химических связей. Поверхностный слой разрыхляется, и резко уменьшаются его прочностные свойства. На модели изнашивания (рис. 1, а) показаны этапы развития этого процесса. На первом этапе происходит дилатация материала поверхности, на втором - формирование на поверхности "чешуйки", которая на третьем этапе отслаивается и отделяется на четвертом этапе от основного материала фрагментами круглой или дугообразной формы. Структура чешуйки резин отличается от структуры основного материала. Чешуйка представляет собой деструктированный в результате термомеханической усталости поверхностный слой резины.
Необходимо отметить, что наблюдалась деструкция двух типов, зависящая от вида каучука. Резины на каучуках СКС-30АРКМ-15 и СКД деструктировали по описанному механизму. Резины на основе натурального каучука и СКИ-3 давали другую картину. При деструкции на пятом этапе выделялась темная жидкая маслянистая фаза, налипающая на индентор. На рис. 2, а приведена топография, характерная для изношенной поверхности.
С увеличением энергии удара повышается доля износа поверхности по механизму "выкрашивания". В качестве критерия можно принять глубину внедрения частицы h при ударе к ее радиусу r. При h/r < 0,2 характерно изнашивание по деструкционному механизму, а при h/r > 0,4 вследствие выкрашивания.
Установлено [10], что при прямом ударе частицы на периметре пятна контакта возникает кольцевая зона максимальных напряжений. Поэтому по периметру пятна контакта при очередном ударе на микротрещинах как зародышах образуются фрагменты кольцевой трещины. Многократное нагружение поверхности ведет к разви-
\ I I
.': V ■ У/ • К : . V
/ /
Рис. 1. Модель развития поверхностного разрушения
тию трещин в глубь поверхностного слоя. Направление развития трещин меняется от расходящегося до сходящегося к центру пятна контакта в зависимости от величины силы удара частицы. Соответственно, происходит пересечение и слияние развивающихся трещин, сопровождающееся отделением фрагмента материала. На рис. 1, б представлена модель развития поверхностного разрушения по механизму выкрашивания, включающая этапы: 1 - образование зародышевых микротрещин, 2 - развитие трещин с изменением их направления, 3 - пересечение и слияние трещин, 4 - образование микрорельефа изношенной поверхности. Глубина изношенного слоя определяется глубиной раздира трещин и составляет 0,05-0,2 мм. На поверхности образуется бугристо-столбчатый микрорельеф. После этого процесс изнашивания возобновляется со второго этапа. На рис. 2, б показан рельеф поверхности, сформировавшийся в результате изнашивания.
В условиях удара частицы под углом к поверхности возникает сложное напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя, способствующее возникновению и развитию в нем трещины, близкой по направлению к углу атаки частицы [11].
Модель развития поверхностного разрушения при косом ударе (рис. 1, в) по "за-дирному" механизму изнашивания включает несколько этапов. На первом этапе в тонком слое на поверхности контакта (к = 0,01-0,05 мм) происходит быстрое утомление материала со снижением прочности. В результате образуются микротрещины под углом 10-15° к поверхности. На втором этапе происходит задир образовавшихся микротрещин. Резиновая поверхность теряет глянцевитость. При большом радиусе частиц и малой нагрузке процесс разрушения может стабилизироваться на этом эта-
а
2
5
4
1
4
5
Рис. 2
пе. На третьем этапе при достижении необходимого снижения уровня усталостной прочности поверхностного слоя начинается его раздир под углом атаки. На четвертом этапе трещины достигают своей предельной глубины и под действием системы сил поворачивают под углом 90° к своему первоначальному направлению - в сторону менее прочного материала. Происходит задир и отделение фрагмента материала. На пятом этапе окончательно формируется поверхность износа. Новый цикл разрушения начинается с третьего этапа после достижения необходимой степени разупрочнения резины. На рис. 2, в показан его характерный рельеф.
Для изношенной поверхности характерен гребенчатый рельеф. С увеличением угла атаки шаг гребней уменьшается и после а = 50°-60° система гребней переходит в бугристую поверхность. Глубина задиров с увеличением угла атаки также снижается за счет того, что развитие поперечной трещины может начинаться в любом месте по длине первоначальной.
Изменение среды, несущей абразив, оказывает существенное влияние на механизм и закономерности поверхностного разрушения резины. Во-первых, высокая плотность несущей среды. Для газоабразивного потока соотношение плотности абразива и среды составляет 2500-3500, а для гидроабразивного на три порядка меньше. Плотность абразива всего в три раза больше плотности воды. Вязкость воды в 50 раз больше вязкости воздуха. В резу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.