Fretting kuluminen voidelluissa järjestelmissä

Fretting kuluminen on pintavaurio, joka tapahtuu kahden kosketuspinnan välillä, jotka kokevat syklisen liikkeen (värähtelevän tangentiaalisen siirtymän), jolla on pieni amplitudi. Kosketuskohdissa voiteluaine puristetaan pois, jolloin metalli joutuu kosketuksiin metallin kanssa.

koska alhaisen amplitudin liike ei salli kosketusalueen uudelleenjakautumista, voi esiintyä vakavaa paikallista kulumista. Tämäntyyppinen kulumista edistää edelleen kahden kehon hankausta, tarttuvuus ja / tai tuskailla väsymys (eräänlaista pinnan väsymys) kulumista.

kun fretting kulumista tapahtuu syövyttävässä ympäristössä, sekä hankaus-pois oksidikalvojen ja lisääntynyt hankauskyky kovemmin hapettunut kulumista roskat taipumus nopeuttaa huomattavasti kulumista. Kun korroosio aktiivisuus on selvästi ilmeinen, kuten merkitty väri roskia hiukkasia, prosessia kutsutaan tuskailla korroosio.

Fretting Wear

Fretting wear tunnetaan myös nimillä vibrational wear, chafing, fatigue, wear oxidation, kitka oxidation, false brinelling, molecular attrition, fretting fatigue ja corrosion.

koska lähes kaikki koneet värisevät, tuskailua tapahtuu liitoksissa, jotka on pultattu, puristettu, puristettu, availtu ja niitattu; osien välillä, joita ei ole tarkoitettu liikkumaan; värähtelevissä linjoissa, kytkimissä, laakereissa, kytkimissä, Karissa ja tiivisteissä; sekä pohjalevyissä, yleisnivelissä ja kahleissa.

Harmittelu on aiheuttanut väsymismurtumia, jotka usein aiheuttavat väsymishäiriöitä akseleissa ja muissa erittäin stressaantuneissa osissa.

Fretting wear on pinnasta pinnaan ulottuva kulumistyyppi, johon vaikuttavat suuresti siirtymän Amplitudi, normaali kuormitus, materiaalin ominaisuudet, jaksojen lukumäärä, kosteus ja voitelu.

Fretting Wear-prosessi

syklinen liike kosketuspintojen välillä on olennainen osa kaikentyyppisiä fretting-kulumista. Se on yhdistelmäprosessi, joka edellyttää, että pinnat ovat kosketuksissa ja altistuvat pienille amplitudin heilahteluille.

pintojen materiaaliominaisuuksista riippuen liima, kaksirunkoinen hankaus ja/tai kiinteät hiukkaset voivat aiheuttaa kulumisjätteitä. Kulumishiukkaset irtoavat ja hajoavat (murskaantuvat) ja kulutusmekanismi muuttuu kolmirunkoiseksi hankaukseksi, kun työkarkaistu roska alkaa poistaa pinnoilta metallia.

Frettingin kuluminen johtuu seuraavasta tapahtumaketjusta:

1. sovellettu normaali kuormitus aiheuttaa aspergitien tarttumista, ja tangentiaalinen värähtelevä liike leikkaa aspergit ja tuottaa kulumista roskia, jotka kerääntyvät.

2. selviytyminen (vaikeampi) aspergit lopulta toimivat sileä pehmeämpi pinnat aiheuttaa heille läpi plastinen muodonmuutos, luoda tyhjiöitä, levittää halkeamia ja leikata pois arkkia hiukkasia, jotka myös kerääntyä masentunut osia pintojen.

3. kun hiukkaset ovat kertyneet riittävästi peittääkseen pintojen välisen kuilun, syntyy kulumaa ja kulumisvyöhyke leviää sivusuunnassa.

4. tarttumisen, delaminaation ja hankauksen kulumisen jatkuessa kulumisjätettä ei voi enää pitää alkuperäisvyöhykkeellä ja se karkaa ympäröiviin laaksoihin.

5. koska suurin jännitys on keskellä, geometria muuttuu kaarevaksi, mikropitsit muodostuvat ja nämä yhtyvät suurempiin ja syvempiin kuoppiin. Lopuksi tangentiaalisen liikkeen siirtymisestä riippuen toiselle tai molemmille pinnoille voi syntyä matoratoja tai jopa suuria halkeamia.

kun pinnat kovettuvat, kulumisen nopeus vähenee. Lopuksi tapahtuu jatkuva kulumisnopeus, joka osoittaa, että kaikki asiaankuuluvat kulutustilat toimivat yhdessä.

Fretting Wear Characteristics

keskeinen tekijä fretting wear on mekaanisesti kuormitettu liitäntä, johon kohdistuu pieni värähtelevä liike. Vahingon tuottamiseen tarvittava suhteellinen liike voi olla melko pieni, niinkin alhainen kuin yksi mikrometri, mutta useammin on noin muutaman tuhannesosan tuumaa. Kulumiskerroin riippuu värähtelyn amplitudista.

alle 100 mikrometrin amplitudeilla esiintyy hyvin vähän kulumista, kuten kuvassa 1 esitetään.

Kuva 1. Fretting Wear vs. Slip Amplitude1

alle 100 mikrometrin painalluksissa kulumiseen johtavien halkeamien nukleaatio ja eteneminen ovat liian pieniä havaittavaksi. Kulumisjäte, joka liikkuu siinä värähtelyasteessa, aiheuttaa oletettavasti tämän alhaisen kulumisnopeuden.

suurilla amplitudeilla kovien hiukkasten (oksidi-tai työkarkaistujen hiukkasten) aiheuttama rajapinnan suora kuluminen luo kokonaiskulutusnopeuden. Suurilla värähtelyn amplitudeilla fretting-kulumiskerroin on suunnilleen sama kuin yksisuuntaisella kulumisella.

kuva 2. Fretting Wear vs. Running Time2

muutokset normaalissa kuormituksessa vaikuttavat yleensä frettingin kulumiseen. Vaikka laitteiden käyttäjät usein olettavat, että suuret normaalikuormitukset vaimentavat tärinää riittävästi vähentääkseen tuskailua, kosketuspinta-alan kasvu tuottaa enemmän pinnan vuorovaikutusta, joka on yleensä suurempi kuin tämä vaikutus. Näin ollen kasvava kuormitus-tai yksikköpaine aiheuttaa yleensä suurempia kulumisnopeuksia, kuten kuvasta 3 ilmenee.

kuva 3. Fretting Wear vs. Normal Unit Load3

kolme erillistä mekanismia aiheuttavat fretting wear: tarttuvuus, vetoväsymys ja delaminaatio (kaksirunkoinen hankaus). Metallien siirto voi tapahtua tai olla tekemättä. Plastinen muodonmuutos muuttaa geometrisesti pintoja ja syntyy suuria kantavia alueita, joiden pinta-alat on mitattu neliömillimetreinä.

näitä kantavia alueita vastaava materiaali on erittäin työläs ja johtaa uuden rakenteellisen vaiheen muodostamiseen. Nämä työkarkaistut alueet ovat hauraita, alttiita murtumille ja pirstoutumiselle, ja tuottavat metallisia kulumisjätteitä ja hiukkasia, joiden alkumitat ovat noin yksi mikrometri.

Kuva 4. Taajuuden vaikutus lievän teräksen Frettausvaurioihin

Fretting-korroosio

toinen fretting-prosessin puoli on kosteuden vaikutus fretting-kulumisnopeuteen. Fretting kuluminen vähenee huomattavasti useimmissa kitka parit (metallit) suhteellinen kosteus kasvaa nollasta 50 prosenttia.

kuluminen kosteissa olosuhteissa on aina lievempää, koska ilman sisältämä kosteus muodostaa eräänlaisen voitelevan kalvon pintojen välille. Joissakin tapauksissa Kosteus mahdollistaa pehmeiden rautahydraattien muodostamisen kovemman, hankaavamman Fe3O4: n sijaan magnetiittia, joka on raudan magneettinen oksidi.

vaikka harmittelua voi esiintyä inertissä ympäristössä, tällainen ympäristö ei ole normaalia. Täydellisissäkin voiteluolosuhteissa ilmakehään altistuvat mineraalipohjaiset öljyt sisältävät vähintään 10 prosenttia ilmaa, joten happea on kaikissa kitkapareissa tai kulutusliitännöissä. Yllään pinnat ja kuluminen roskat yleensä osoittavat suuren määrän oksidia, mikä johtaa nimi ”tuskailla korroosiota.”

aikaisemmin frettikulutusta kutsuttiin yleensä frettikorroosioksi, koska hapettuminen oli oletettavasti kriittinen tekijä, joka aiheutti tuskailua. Itse asiassa hapetustuotteiden olemassaolo on ollut valmis keino tunnistaa tuskastumisprosessi.

nykyään insinöörit ymmärtävät, että harmittelua esiintyy materiaaleissa, jotka eivät hapetu, kuten kuutiodioksidissa, kullassa ja platinassa. Vaikka hapettuminen ei aiheuta harmittelua yleisimmissä materiaaleissa, kulumisjätteen poistaminen jättää neitseellisen metallin alttiiksi ilmakehälle ja hapettumista tapahtuu yleensä.

vahva visuaalinen näyttö tukee ajatusta, että oksidikalvoja muodostuu ja ne kaavitaan myöhemmin pois. Harmaantuneen alueen metallipinnat värjäytyvät hieman. Kulumisjätteen väri vaihtelee kantamateriaalin tyypin mukaan; alumiinin korroosiotuote on valkoinen, mutta fretting aiheuttaa sen mustaksi, teräksen korroosiotuote on harmaa, mutta fretting aiheuttaa sen punaruskeaksi.

toinen ajatusta tukeva seikka on kulumisnopeuden kasvu. Kun fretting tapahtuu inertissä ympäristössä, kulumisnopeus on huomattavasti pienempi kuin silloin, kun olosuhteet aiheuttavat oksidikalvo muodostaa ja kaavitaan pois.

koska taajuuden vaikutus kulumiseen on amplitudista riippuvainen, on värähtelyn amplitudin mukaan määriteltävä kahdenlaista kulumista. Ensimmäinen tyyppi fretting on fretting korroosio tai kuluminen, kuten aiemmin on käsitelty. Toinen tyyppi fretting joka tapahtuu, jossa vähemmän materiaalia poistetaan kutsutaan fretting väsymys tai veto väsymys.

Frettausväsymys

frettausväsymyksessä pintahalkeamat aloittavat ja etenevät, jolloin materiaali poistuu. Amplitudi on pieni. Jos liukkauden amplitudi kasvaa, tuskastuttava väsymisilmiö voi kadota kulumisrintaman alkaessa edetä riittävän nopeasti, jotta aloitetut halkeamat voidaan poistaa ennen kuin ne leviävät.

pintakovuus on avainasemassa tuskailuväsymyksen rajoittamisessa. Jos molemmat pinnat ovat kovia, aspergities hitsaa, jonka jälkeen leikkaus liittymissä, materiaalin siirto ja kulumista hiukkasten sukupolven.

jos kova pinta on kosketuksessa pehmeän pinnan kanssa, tuskastuttavaa väsymistä esiintyy todennäköisesti. Kovempi kahdesta pinnasta luo riittävän pitovoiman, joka aiheuttaa pehmeämmän pinnan plastisen muodonmuutoksen ja hiukkaspäästön pinnanalaisen tyhjiön nukleaation, halkeaman etenemisen ja sitä seuraavan pintamateriaalin häviämisen kautta.

kun yksi pinta on paljon kovempi ja karheampi ja siihen kohdistuu vähemmän vetovoimaa, aspergit luisuvat vastakkaiselle pinnalle aiheuttaen vakavaa hankausta ja lankamaista kulumista.

Voiteluainevaikutukset Frettingissä

Fretting näyttää etenevän nopeammin kitkapareissa, joilla on sileä pinta ja tiivis istuvuus. Voiteluaineet eivät läpäise kulumisalueita, joissa on pienet välykset (kuvataan tiiviiksi istuvuudeksi). Lisäksi sileä pinta poistaa voiteluaineita pidättävät taskut epätasaisempien pintojen välillä.

näissä olosuhteissa voidaan saavuttaa vain reunavoiteluolosuhde, öljyn kostuttamien pintojen jatkuva vuorovaikutus. Voiteluaineet eivät aina onnistu, koska vastavuoroinen toiminta puristaa voiteluainekalvon eikä salli sen täydentämistä.

yleensä voiteluaineen tarkoitus useimmissa tuskailutilanteissa on estää hapen pääsy harmittelupinnalle ja kulumisjätteille. Nestemäiset Voiteluaineet, joilla on tehokas metalli-deaktivointilisäaine, voivat auttaa vähentämään tuskailun vaikutusta, mutta eivät todennäköisesti lopeta tuskailua kokonaan.

1. Halliday, J. Conference on Lubrication and Wear, Proc. I. Mech. E, Lontoo, 1957. s. 640.

2. Feng, I. ja Rightmire, B. Proc. I. Mech. E. 170, 1055, 1956.

3. Lipson, C. Wear Considerations in Design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

toimittajan huomautus
tämä artikkeli ilmestyi alun perin lukuna E. C. Fitchin kirjassa Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.