Информационное агентство "Светич". Сайт о сельском хозяйстве. 16+

Детали узлов трения машин: способы снижения водородного изнашивания

Детали узлов трения машин: способы снижения водородного изнашивания
В статье представлены результаты исследований по выявлению причин, обнаружения источников и путей снижения водородного изнашивания деталей пар трения на этапах изготовления и последующей эксплуатации технических объектов путем совершенствования структуры материалов, бережной эксплуатации машин, направленного металлоплакирования через смазочные материалы, в том числе с участием антифрикционных износостойких полимерных композиций, модифицированных ингибиторами проникновения атомарного водорода в структуру черных металлов.

Большинство специалистов, получивших инженерное образование (не только сельскохозяйственное), в соответствии с программой своей подготовки достаточно хорошо помнят и используют на практике известную классификацию видов изнашивания деталей машин: механическое, коррозионно-механическое, абразивное, окислительное, усталостное, фреттинг-коррозия, схватывание, кавитация…и т.д. (их десятки). Но мало кто из ныне практикующих инженеров «старой» школы (никого не хочу обидеть, здесь прошу меня понять, сам ее прошел…) слышал, имеет представление, разбирается в причинах и источниках возникновения, а тем более знает и умело применяет способы защиты (снижения интенсивности поражения рабочих поверхностей деталей) от ….водородного изнашивания (насыщения), тем самым повышая ресурс эксплуатируемой вверенной ему техники. Лишь в последнее десятилетие в программы подготовки инженерных кадров по настоятельной просьбе одного из разработчиков этой теории, подтвержденной и проверенной сотни и тысячи раз на практике (имею в виду профессора Гаркунова Дмитрия Николаевича – был лично с ним знаком, работал на его семинарах) тема: «Водородный износ: причины, источники и методы снижения» была включена и нашла свое место в учебных планах – и это замечательно! В этой связи, учитывая тот факт, что молодые инженеры-выпускники осведомлены, информированы, а значит, вооружены против этого невидимого «врага» (атомарный водород), поражающего детали любой твердости, в своей информационно-консультационной работе в стенах Академии, с выездом в хозяйства акцентируем внимание и на этом актуальном вопросе путем проведения научно-практических семинаров, мастер-классов со специалистами инженерных служб, приглашаем также Глав крестьянских и фермерских хозяйств.

Итак, начну не с теории, начну с практических примеров, встречаемых в эксплуатации, в ремонте техники и вниманию наших инженеров с многолетним стажем работы предлагается рассмотреть несколько первых кадров ответственных и ресурсоопределяющих деталей: коленчатые валы, маховики, подшипники качения. Так, коленчатый вал, поступивший на участок по динамической балансировке в сборе с маховиком и корзиной сцепления, внешне не вызывал сомнений в своем соответствии требованиям диаметров шеек, прямолинейности. Вот только на одной из шатунных шеек после намагничивания (это одна из применяемых технологий обнаружения скрытых дефектов) и обработки специальной (мы ее называем «волшебной») жидкостью с наночастицами окиси железа проявилась сетка недопустимых трещин (рис.1а), видимых теперь невооруженным глазом. Коленчатый вал, как динамически нагруженная деталь, конечно же, был выбракован и снят со сборки двигателя, но мы сейчас говорим о причинах возникновения столь большого числа зародышей трещин в казалось бы качественной закаленной стали или высокопрочном чугуне (как и на рис.1б,в). Традиционный ответ инженеров, мотористов – это результат усталостного изнашивания от знакопеременных нагрузок (…с правильным ответом пока воздержусь). Но как быть в таком случае с рабочей поверхностью маховика (рис.1г), не испытывающего изгибающих знакопеременных нагрузок и лишь передающего крутящий момент узлам трансмиссии через фрикционный контакт с дисками сцепления? 


 



И она тоже густо покрыта трещинами, так и напрашивается сравнение с природой, с почвой в отсутствие дождей длительный период…, а ведь это отливка из чугуна. Еще одно традиционное для многочисленных конструкций машин изделие (рис.1д) – подшипник качения (высококачественная сталь ШХ15). Наиболее часто в условиях нормальной штатной эксплуатации беговые дорожки внутренних и внешних обойм и тела качения (ролики, шарики) при их высокой твердости (по Роквеллу HRC 62-65) испытывают как окислительное изнашивание, так и отчасти усталостное при многократном деформировании нагруженных участков при сосредоточенном контакте по линии или в точке по траектории движения. Но чтобы образоваться подобной «язве» (см. фото), где частицы металла активно покидают свою поверхность, это надо потрудиться…

Для правильных ответов на поставленные вопросы предлагаю обратиться к краткой исторической справке и теоретическому обоснованию происходящих процессов на практике.

Как один из процессов разрушения поверхностей деталей при трении, водородное изнашивание (ВИ) установлено всего лишь 25-30 лет назад А.А. Поляковым и Д.Н. Гаркуновым. Из всех видов разрушения ВИ наиболее трудно поддается изучению, несмотря на то, что оно обнаруживается в узлах трения машин различных отраслей техники и по широте проявления может быть сравнимо с общеизвестным абразивным изнашиванием. Процессы, происходящие при ВИ, находятся на стыке таких областей науки, как электрохимия, органическая химия, катализ, химия полимеров и смазочных материалов, механохимия и др.

Авторами ряда работ показано, что при повышении содержания водорода в стали от 5.10-5 до 15.10-5 м3/кг интенсивность ее изнашивания увеличивается более чем на два порядка. Кроме того, известно, что в процессе различных технологических операций (цементации, закалки, механической обработки, нанесения гальванических покрытий) происходит насыщение водородом деталей – ее структура несет в себе так называемый «биографический» водород. Упругое взаимодействие атомов водорода с различными видами дефектов металла, а также полями внутренних напряжений приводит к снижению износостойкости сопрягаемых пар. Атомарный водород скапливается в деформируемом слое, молизуется (атомы объединяются в молекулы, присоединяя в себе недостающий электрон) в зародышах трещин, создавая повышенные давления, превышающие предел прочности стали (чугуна), и совместно с переменной внешней нагрузкой ускоряет диспергирование поверхностей трения (рис.2).


 



Источниками водорода являются углеводородные смазочные материалы, топливо, вода, полимерные материалы (пластики) и композиции на их основе. ВИ обусловлено следующими процессами, происходящими в зоне трения в несколько этапов:

а) интенсивным выделением атомарного водорода при трении в результате трибодеструкции водородосодержащих материалов, создающей источник непрерывного поступления водорода в поверхностный слой стали или чугуна;

б) адсорбцией (скопление, удержание) водорода на поверхностях трения;

в) диффузией (проникновение) атомарного водорода в деформируемый слой стали, скорость которой определяется величинами температур и напряжений, что создает эффект накопления водорода в процессе трения;

г) особым видом разрушения поверхности, связанного с одновременным развитием большого числа зародышей трещин по всей зоне деформирования и эффектом накопления водорода, при этом характерным для разрушения является мгновенное образование и отделение мелкодисперсного порошка металла.

Степень повреждения деталей зависит от концентрации водорода в их поверхностных слоях. Глубина же концентрированного залегания водорода зависит от режимов трения при эксплуатации машины, чем тяжелее режим трения, тем глубже находится максимум температуры, куда устремляется водород, тем значительнее ожидаемые последствия разрушения структуры.


Продолжение читайте в сл. номере
 
 
Текст: ГВОЗДЕВ А.А., д. тех.наук, профессор
кафедры технического сервиса и механики Ивановской ГСХА, фото: автора 
Журнал «Нивы России» №8 (196), сентябрь 2021
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Реклама
Яндекс Директ