§ 5.2. Износ

Механический и химический износ. При взаимодействии твердых поверхностей происходит их износ, заключающийся в изменении геометрических размеров или заданной чистоты обработки этих поверхностей. Но статистическим данным около 85 % машин вы­ходит из строя из-за износа узлов трения. Основными видами износа в ДВГ являются механический и химический. Механический износ обусловлен непосредственным контактом поверхностей трения по их микронеровностям (микрошероховатостям). При этом в ноне контак­та имеет место отрыва микрочастиц, вызывающий изменение разме­ров поверхностей трения — их фрикционный износ. Разновидностью механического износа валяется абразивный износ, который возникает в результате воздействия на поверхности трения инородных твердых частиц.

Химический износ вызван тем, что имеющиеся на поверхности трения хемосорбированные граничные пленки истираются и вновь восстанавливаются. На это расходуется часть металла трущейся поверхности, т.е. происходит ее износ. Разновидностью химического износа является коррозионно-механический (окислительный) износ, обусловливаемый истиранием пленок оксидов, образующихся на поверхности металла вследствие воздействия на него коррозионно-агрессивных веществ.

Износ существенно проявляется при граничном трении, в значительной степени увеличиваясь при уменьшении толщины граничной пленки (при увеличении площади зон механического кон­такта поверхностей) и при наличии механических примесей в сма­зочном материале (эти примеси нарушают целостность граничной пленки и вызывают абразивный износ).

В условиях гидродинамического трения адгезионные силы взаимо­действия поверхностей не проявляются, при этом практически исключено их соприкосновение, а следовательно, и фрикционный износ. Однако при наличии в масле механических примесей возмо­жен абразивный износ, обусловливаемый этими примесями.

По современным воззрениям значительную роль в износе ДВС играет водородный износ. Однако количественное влияние этого вида износа изучено еще недостаточно.

На износ в ДВС известное влияние оказывает и ряд других процессов. Например, под действием струй жидкости или газа, пос­тупающих на стенку, возникает ее эрозия (эрозионный износ); при наличии кавитации на твердых поверхностях возникают кавитационные каверны (кавитационный износ); при достаточно длительном воздействии знакопеременных нагрузок в материале возникают трещины и могут отделяться микрочастицы (усталост­ный износ) и т.д. Однако с точки зрения условий работы смазочных материалов наибольшее значение имеют механический, абразивный и химический виды износа.

При трении происходит преобразование структуры поверхностных слоев. В определенных условиях адсорбированные и хемосорбирован­ные пленки могут проникать в микротрещины поверхностного слоя материала, создавая в них «расклинивающие» нормальные напря­жения (до 100 МПа), что приводит к изменению свойств (в первую очередь снижению твердости) тонких (на глубину до 0,1 мкм) приповерхностных слоев металла — его адсорбционному пластифицированию (это явление получило название «эффекта Ребиндера»). В результате пластифицирования снижается сопротивление сдвига в поверхностном слое металла, а, следовательно, уменьшаются местные контактные напряжения и сопротивления при деформации микронеровностей контактирующих поверхностей.

Влияние электростатических явлений на износ. В процессе трения возникают электростатические заряды. Накапливаясь на поверхностях трения, они периодически пробивают масляную плен­ку, вызывая электроэрозионный перенос металла и местные пики температуры, сопровождающиеся точечным износом поверхностей.

При увеличении проводимости масляного слоя износ уменьшает­ся. Такие условия создаются, например, при наличии в масле вы­сокодисперсных механических примесей.

Отвод электростатических зарядов от тел трения или принудительное короткое замыкание соответствующих цепей обес­печивают повышение долговечности пар трения. Например, резуль­таты длительных стендовых испытаний дизеля, оборудованного устройством для короткого замыкания поверхностей трения, пока­зали, что короткое замыкание токов, возникающих при трении, позволяет снизить износ поршней, поршневых колец и гильз, а также вкладышей коленчатого вала.

Задир, схватывание и заедание. При значительном разрушении граничной пленки отдельные микрошероховатости поверхностей трения вступают в непосредственный контакт. При этом резко увеличиваются удельные давления и сила трения на этих участках. Выделяемая при трении теплота может разогреть металлы до тем­пературы, при которой между поверхностями образуются мостики сварки. Последующее разрушение этих мостиков происходит не по зоне первоначального контакта, а на некоторой глубине, что приводит к повреждениям поверхностей. Такое явление называют задиром. Способность поверхностей трения и смазочных материалов уменьшить износ и сопротивляться возникновению задира определя­ется их противоизносными (износной стойкостью) и противозадирными (стойкостью к задиру) свойствами. Для увеличения этих свойств в смазочные материалы вводят противоизносные и противозадирные присадки, а поверхности трения подвергают специальной обработке.

Применительно к поверхностям трения важным свойством, обес­печивающим их противозадирную стойкость, является способность поверхности аккумулировать некоторое количество масла, которое может быть подано на поверхность трения в случае масляного «го­лодания». Это свойство называют маслоемкостью поверхности.

Ч резмерное увеличение чистоты обработки поверхностей трения может привести к повышенному износу (рис. 5.6) и схватыванию, так как тщательное «выглаживание» поверхностей вызывает умень­шение их маслоемкости. Например, поршневые кольца с полирован­ной цилиндрической поверхностью плохо прирабатываются при обкатке и имеют повышенную склонность к задирам зеркала цилиндра. Увеличение маслоемкости обеспечивается созданием микровпадин (масляных ре­зервуаров) на поверхности трения. Роль таких резерву­аров выполняют впадины микрорельефа, образованные неровностями поверхности — ее шероховатостями. Поверхность со значительной шероховатостью удерживает много масла, но площадь контакта трущихся пар, определяемая количеством опорных точек, мала. В результате возникают большие удельные давления и имеет место повышенный износ поверхностей трения. При боль­шом количестве малых по величине неровностей количество опорных точек велико, но масляные резерву­ары содержат недостаточное количество масла. В результате опять-таки повышенный износ. Отсюда следует, что для каждых контактных пар трения нужна своя, оптимальная по форме и раз­мерам шероховатость поверхностей, характеризуемая ее микрорельефом.

В нашей стране разработан эффективный способ создания повер­хностей с заданным микрорельефом — вибрационное обкатывание. Суть этого метода в том, что на обрабатываемой поверхности шариком (или алмазным наконечником) выдавливают регулярно рас­положенные канавки с заданной геометрией. Эксперименты показали снижение износа пар трения ДВС, прошедших вибрационное обка­тывание (рис. 5.7).

По данным Ярославского моторостроительного завода вибропрокатка гильз цилиндра позволяет увеличить их дол­говечность более чем в 1,3 раза. В последнее время находит приме­нение способ образования «масляных резервуаров» на поверхности трения путем ее электрохимической обработки. Недостатком вибро­обработки цилиндров является увеличение расхода масла на угар.

Явление задира может сопровождаться схватыванием — образо­ванием прочных мостиков, соединяющих трущиеся поверхности. При дальнейшем относительном перемещении этих поверхностей происходит вырыв объемов металла по местам схватывания. В результате микро- и макрогеометрия трущихся поверхностей иска­жается, явления задира и схватывания прогрессируют, силы пре­пятствующие взаимному перемещению трущихся поверхностей возрастают и их взаимное перемещение прекращается — возникло заедание. Описанная схема является предельной. Возможны случаи, когда явления задира и схватывания не получают даль­нейшего развития и не вызыва­ют заедания.

При работе двигателя в результате трения происходят процессы, обусловливающие бо­лее равномерное распределение микрошероховатостей поверхно­стей и превращения микрост­руктуры в приповерхностных слоях. При этом микрошерохо­ватость поверхностей стремится к оптимальной. Наряду с этим происходит постоянный износ этих поверхностей.

В большинстве типов ДВС наиболее интенсивно изнашиваются детали цилиндропоршневой группы. Интенсивность их изнашивания определяется количеством циклов термодинамического воздействия на детали, т.е. частотой вращения коленчатого вала. Обычно наибольший износ происходит вблизи верхней мертвой точки, где складываются неблагоприятные с точки зрения износа условия — вы­сокая температура (до 2200 °С) и давление (до 12 МПа), нарушение режима смазки, отложение и накопление нагара, смыв со стенок цилиндра масляной пленки жидким топливом. Это подтверждается тем, что быстроходные двигатели имеют меньшую долговечность по сравнению с тихоходными при сопоставимых средних скоростях движения поршня.

Износ колец снижают путем хромирования или покрытия молибденом рабочих поверхностей верхних компрессионных колец. Одновременно при этом уменьшаются износы остальных колец и цилиндра, что можно объяснить улучшением условий их смазки, а также тем, что высокотвердые покрытия перетирают проникающие сверху абразивные частицы, вследствие чего их вредное воздействие уменьшается.

Для уменьшения износов стержней клапанов их хромируют и покрывают твердой смазкой — дисульфидом молибдена. Как указы­валось выше, эффективным средством повышения износостойкости трущихся поверхностей является увеличение маслоемкости. Для это­го, в частности, применяют специальные канавки, нанесение слоя пористого хрома и вибронакатку.