Удар и качение по абразиву

Известны многочисленные примеры изнашивания деталей машин, механизмов и инструментов, вызванного ударом по абразиву различного вида: монолитному, в виде свободно расположенных частиц на металлическом основании и глыбовидных кусков породы, монолитному абразиву, который при соударении подвергается дроблению на мелкие частицы, в виде слоя и т.д. Изнашивание сталей, сплавов и упрочняющих покрытий при ударе по абразиву изучают сравнительно недавно: долгое время не находили отличия в его природе от абразивного изнашивания в условиях трения скольжения. Удар по твердым частицам различной формы и размеров – вот сущность ударно-абразивного изнашивания и его принципиальное отличие от абразивного изнашивания других видов.

Удар – особый вид нагружения деталей машин и механизмов; действие удара усугубляется, когда в зоне соударения поверхностей формируется третье тело в виде твердых частиц, поражающих рабочую поверхность при прямом внедрении в нее. Прямое внедрение твердой частицы в металл под действием удара по ней создает углубление в виде лунки, приближенно копирующее геометрию частицы. Множественность единичных внедрений частиц при каждом очередном ударе по ним формирует на поверхности трения своеобразный макрорельеф в виде чередующихся лунок и перемычек между ними без царапин направленной ориентации, типичной для абразивного изнашивания при трении скольжения. Абразивная частица на первом этапе своего внедрения в металл при ударе должна преодолеть сопротивление металла этому внедрению; это происходит только в случае, когда ее твердость и прочность выше, чем у металла. Когда рельеф поверхности трения при ударе по абразиву становится явно выраженным, действие единичной частицы на металл и механизм разрушения поверхности соударения усложняется явлениями, происходящими при каждом соударении. На этой стадии внедрение частицы сложной формы в кратеровидную лунку можно сопоставить с внедрением клиновидного пуансона в глухое отверстие неправильной формы. В этом случае на конечный результат внедрения частицы абразива в лунку влияют многие факторы: твердость и прочность абразивной частицы, твердость и пластичность металла, наличие соседних открытых лунок, толщина и форма разделяющих их перемычек, энергия удара и т.д. Если соотношение этих факторов будет в пользу абразивной частицы, то, попав в лунку, в момент удара она деформирует ее, углубляя и расширяя. В этом случае, когда края лунки непрочны или легко деформируются, они под действием частиц или вытесняются в соседние лунки, если металл вязкий, или хрупко выкрашиваются, если металл высокой твердости. На этом этапе внедрения частицы критерием оценки износостойкости стали является ее сопротивление срезу.

Изнашиванию при ударе по абразиву подвергаются многочисленные узлы машин и их исполнительные звенья, работающие непосредственно в контакте с абразивом. К типовым следует отнести большинство рудомелющих агрегатов, бойки пневмо- и гидроударников, бурильные монолитные долота для ударного бурения скважин при вскрытии водоносных горизонтов, ударно-штамповочный инструмент, клапаны буровых насосов, перекачивающих глинистый раствор, щековые, конусные, валковые, роторные, молотковые, центробежные, стержневые и щековые дробилки.

Многочисленные рудомелющие агрегаты являются одним из наиболее типичных примеров механического изнашивания, в том числе изнашивания при ударе по абразиву. Имеется в виду большая гамма дробилок различных конструкций и назначения, барабанные стержневые молотковые, шахтные, ударно – отражательные, ролико-кольцевые, катковые, конические, коллоидные, роторно-дробильные мельницы, пневмо- и гидроударники, бурильные колонки и др.

Трение качения по поверхности с большим выступом в виде слоя незакрепленного или монолитного абразива сопровождается соударением, поэтому изнашивание в таких условиях ближе по своему механизму к ударно-абразивному. Воздействие твердых частиц абразива на поверхность детали цилиндрической формы приводит к образованию на ней лунковидного рельефа без признаков царапанья. Сопоставление его с макрорельефом поверхности ударно-абразивного изнашивания показывает их полную идентичность.

Все элементы механизма формирования микрорельефа, рассмотренные применительно к ударно-абразивному изнашиванию, справедливы для случая внедрения твердой частицы в цилиндрическую поверхность при качении по абразиву. Ряд специфических особенностей внешнего силового воздействия при трении качения не вносит принципиального различия в механизм формирования рельефа и последующее отделение частиц материала.

В условиях трения качения по абразиву уровень внешней нагрузки на частицу определяется многими факторами. К числу основных относятся: скорость качения детали по абразиву, ее диаметр, толщина слоя абразива, плотность частиц в слое и их размер, механические характеристики материала детали. Вид абразива (монолитный или незакрепленный) и его расположение на металлическом основании влияют на динамику взаимодействия, рельеф, глубину лунок и износ деталей, работающих в подобных условиях.

Этому виду изнашивания подвергаются узлы и детали вращения, не защищенные от попадания абразивных частиц. Типичный пример – опора качения бурильных шарошечных долот. Попадая вместе с промывочной жидкостью в опору долота, частицы породы образуют движущийся слой, по которому перекатываются тела качения; взаимодействия роликов и шариков с абразивом при качении сопровождаются поражением поверхности трения и изнашиванием. При этом изнашиваются не только тела качения опоры долота, но и внутренняя поверхность – «беговая дорожка» шарошки. По такой же схеме изнашиваются сопряжения машин гусеничного хода различного назначения. Изнашивание при качении наиболее характерно для колес железнодорожного транспорта при прохождении запыленных районов.