Изнашивание неподвижных соединений (фреттинг-коррозия) (стр. 3 )

Таким образом, процесс разрушения поверхностного слоя материала при фреттинг-коррозии происходит периодически, по мере накопления усталостных повреждений. Следует учитывать, что на первой стадии может происходить упрочнение сопряженных поверхностей в результате циклической текучести приповерхностных слоев. При разрушении окисных пленок могут интенсивно развиваться процессы схватывания, особенно при контактировании деталей из однородных сплавов. Наличие вибраций всегда способствует разрушению очагов схватывания, развитию усталостных явлений и возникновению продуктов изнашивания.

Как отмечалось выше, увеличение нагрузки обычно приводит к увеличению интенсивности изнашивания, однако при нагрузках выше критических может происходить снижение износа как в результате уменьшения амплитуды колебаний (для узлов с недостаточной жесткостью), так и в результате снижения доступа кислорода в зону трения. При изменении частоты колебаний обычно меняется период цикла, скорость относительного перемещения и контактная температура. С повышением частоты колебаний скорость изнашивания в результате фреттинг-коррозии обычно убывает до определенного значения, а затем намечается тенденция к ее стабилизации (это связано с разрушением и образованием окисных пленок). С уменьшением частоты колебаний при постоянной амплитуде время образования окисных пленок увеличивается и износ возрастает. Критическая частота зависит от стойкости материала к окислению. Эффект частоты возрастает с увеличением амплитуды колебаний. Усталостная долговечность материалов при уменьшении частоты нагружения заметно снижается. С увеличением частоты вибраций износ снижается до некоторого определенного для каждого материала значения и в дальнейшем остается постоянным, так как с уменьшением периода колебаний время между последующими взаимодействиями тел уменьшается, уменьшая и время химического взаимодействия материала с кислородом.

Исследования вероятностных характеристик величины износа при фреттинг коррозии показали, что с ужесточением условий эксплуатации и, как следствие, увеличением скорости изнашивания среднеквадратичные отклонения величины износа увеличиваются на порядок. Анализ причин такой закономерности позволяет сделать вывод, что механизм формирования износа при фреттинг-коррозии определяется не только усталостными процессами. Значительную роль в этом играет статистический механизм. Ужесточение режимов трения приводит к тому, что воздействию подвергаются большие объемы структуры материала детали и это создает в них более гетерогенные условия для протекания реологических, диффузионных, окислительных и других процессов. Увеличивается тепловыделение в зоне трения и, следовательно, поверхностные слои деталей в большей степени подвергаются структурным изменениям. К тому же, с учетом стохастического характера образования и удаления большого количества продуктов изнашивания, это способствует значительному разбросу величины износа. Такие же процессы происходят и при более мягком режиме нагружения, однако они менее интенсивны, более локализованы и захватывают меньшее количество элементов структуры.

От многих факторов зависит и доля влияния на механизм изнашивания механического и химического факторов, которые взаимосвязаны и оказывают "каталитическое" действие друг на друга. Таким образом, как показывают результаты представленного анализа существующих представлений о процессах, происходящих при фреттинг-коррозии, их следует рассматривать с учетом конкретных условий эксплуатации узла и сочетания факторов влияющих на механизм изнашивания.

3.  Фреттинг-коррозия некоторых узлов подвижного состава

Одним из наиболее распространенных методов соединений деталей машин и механизмов в самых разнообразных отраслях техники являются резьбовые соединения. Достаточно широко этот способ соединения используется и при сборке различных трубопроводов, в том числе и работающих под давлением. Характерным примером таких соединений являются резьбовые соединения тормозной магистрали подвижного состава, сборка которых осуществляется с использованием резьбовых муфт при уплотнении резьбового соединения с использованием традиционных технологий.

Работоспособность тормозной системы, эксплуатационные показатели работы тормозов и, как следствие, безопасность движения, во многом определяются ее герметичностью. Однако, как показывает опыт эксплуатации подвижного состава, уже через 7 месяцев эксплуатации вагона после постройки или ремонта наблюдается интенсивный рост количества утечек через резьбовые соединения, что снижает плотность тормозной системы до 20%, а после года эксплуатации неплотности имеет уже основная часть соединений. Например, анализ технического состояния тормозов на Северо-Кавказской, Октябрьской и Забайкальской железных дорогах показывает, что непосредственно на отпуск тормозов расходуется около 12% сжатого воздуха, вырабатываемого компрессорами локомотива, около 18% уходит на обслуживание пневмопотребителей локомотива, а остальные 70% расходуется на пополнение утечек. Наличие утечек сжатого воздуха через неплотности тормозной магистрали считается важным показателем состояния тормозной сети поезда в эксплуатации. Особенно неблагоприятное воздействие на работу тормозов оказывают утечки в хвостовой части поезда, так как это вызывает повышенный перепад давлений по длине тормозной магистрали, приводящий к снижению управляемости тормозными средствами и ослабляющий эффективность воздействия высокого зарядного давления в тормозной магистрали на отпуск тормозов. Под влиянием утечек сжатого воздуха из тормозной магистрали формируется перепад давления на ее концах. Увеличение времени отпуска автотормозов в хвосте поезда, связанное с утечками воздуха, может быть причиной разрывов в середине состава. В связи с этим необходима реализация мероприятий, направленных на повышение плотности соединений тормозной сети, что способствует не только снижению энергетических затрат на ведение поезда и повышению срока службы компрессоров, но и играет важную роль в обеспечении безопасности движения.

Герметичность соединений определяется величиной утечки, на которую влияет зазор между контактирующими деталями. Появление утечек в процессе эксплуатации связано с износом резьбового соединения.

Одной из наиболее вероятных причин разрушения резьбовых соединений в этих условиях является фреттинг-коррозия. Обязательным условием ее возникновения является относительное перемещение контактирующих деталей. Первоначально затяжка резьбовых соединений делает возможность перемещения таких соединений минимальной, но в процессе эксплуатации она может самопроизвольно снижаться, что объясняется объемными пластическими деформациями в соединениях, самопроизвольным увеличением пластических микроконтактных деформаций на торце муфты и в витках резьбы и саморазвинчиванием соединений под воздействием вибрационных нагрузок. Снижение усилия затяжки с течением времени, вследствии падения напряжений в резьбовом соединении, а также уменьшения сближения между взаимодействующими витками резьбы, приводит к снижению контурных давлений, вызывая увеличение зазора. При первоначальном нагружении, в результате распределения нагрузки между витками на поверхности резьбового соединения, обычно наблюдаются пластические деформации в зоне фактического касания микронеровностей. Повторные напряжения приводят к упругим деформациям в этих зонах. Значительное усиление затяжки гаек не гарантирует надежность соединений. В этом случае возможна холодная сварка контактирующих витков и их последующее разрушение. При этом обычно температура на поверхности разрушения повышается до 60 оС, свидетельствуя о работе резьбового соединения в условиях растягивающих напряжений, а контактирующих витков резьбы - в условиях контактных напряжений сжатия. Следует учитывать, что разрушение в этих условиях является термодинамически выгодным, так как на вновь образованных поверхностях происходит сток дислокаций, и металл переходит в равновесное состояние. Термодинамически выгодным является и процесс автоматического развинчивания резьбового соединения, так как он приводит к снижению внутренней энергии. Затяжка резьбового соединения всегда сопровождается пластической деформацией поверхностных слоев витков резьбы, в результате чего плотность дислокаций в металле достигает предельных значений, и объем поверхностных слоев возрастает более чем на 1%. Таким образом дополнительно увеличивается величина давления между витками. Следствием возникновения таких напряжений является то, что значительная часть дислокаций выходит на поверхность, и поверхность трения оказывается поврежденной субмикротрещинами, находящимися в активном состоянии. Резьбовые соединения можно рассматривать как механохимические гетерогенные системы, состоящие из фрикционно сочлененных резьб, поверхности, которых покрыты тонкими органическими пленками, что делает эти системы синергетическими, работающими в условиях, далеких от термодинамического равновесия. Можно выделить три этапа фрикционного взаимодействия такой системы. Сперва затягивание резьбового соединения сопровождается трением скольжения поверхностей витков резьбы, пластической деформацией их поверхностных слоев, механодеструкцией адсорбционных механических пленок, формированием «микромеханореакторов» и гетерогенного поверхностного слоя. На этапе трения покоя под воздействием осевой нагрузки на поверхности трения продолжают протекать механохимические процессы, способствующие развитию микротрещин в глубь металла, его пластифицированию и разупрочнению в зоне фрикционного контакта, что уменьшает осевую нагрузку и момент свинчивания до 30 %. Происходящее в результате этого разгружение резьбы соответствует адсорбционному проникновению органической среды в ее микропористую структуру и понижению прочности металла витков. Вибрации способны уменьшить силу трения покоя между контактирующими витками резьбы до 2 раз. Сила статического трения снижается вследствии колебаний вне зависимости от направления по отношению к плоскости стыка. Этот эффект наблюдается в широком диапазоне частот от 01.01.01 Гц, причем уменьшение коэффициента трения в диапазоне малых частот происходит и при отсутствии относительного перемещения между контактирующими поверхностями, а уменьшение давления при наложении вибраций в стыке возможно не только в резонансной зоне, но и в пределах предварительного смещения при отсутствии относительного скольжения.