Zużycie Fretting w układach smarowanych

zużycie Fretting to uszkodzenie powierzchni, które występuje między dwiema powierzchniami stycznymi doświadczającymi ruchu cyklicznego (oscylacyjnego przesunięcia stycznego) o małej amplitudzie. W miejscach styku smar jest wyciskany, co powoduje kontakt metalu z metalem.

ponieważ ruch o niskiej amplitudzie nie pozwala na dosmarowanie powierzchni styku, może wystąpić poważne zużycie miejscowe. Ten rodzaj zużycia dodatkowo promuje ścieranie, Przyczepność i / lub zmęczenie fretting (forma zmęczenia powierzchni) zużycie.

gdy występuje zużycie fretting w środowisku korozyjnym, zarówno tarcie-off filmów tlenkowych i zwiększona ścieralność trudniej utlenionych zanieczyszczeń zużycie mają tendencję do znacznie przyspieszyć zużycie. Gdy aktywność korozyjna jest wyraźnie widoczna, co oznacza kolor cząstek gruzu, proces ten jest określany jako korozja fretting.

zużycie Fretting

zużycie Fretting jest również znany jako zużycie wibracyjne, otarcia, zmęczenie, utlenianie zużycie, tarcie utlenianie, false brinelling, molekularne ścieranie, fretting zmęczenie i korozja.

ponieważ praktycznie wszystkie maszyny wibrują, fretting występuje w połączeniach, które są przykręcone, przypięte, wciskane, kluczowane i nitowane; między elementami, które nie są przeznaczone do poruszania się; w oscylujących wielowypustach, sprzęgłach, łożyskach, sprzęgłach, wrzecionach i uszczelnieniach; oraz w płytach bazowych, przegubach uniwersalnych i szeklach.

Fretting zainicjował pęknięcia zmęczeniowe, które często prowadzą do uszkodzenia zmęczeniowego wałów i innych silnie obciążonych elementów.

zużycie Fretting jest typem zużycia powierzchniowego i ma duży wpływ na amplitudę przemieszczenia, normalne obciążenie, właściwości materiału, liczbę cykli, wilgotność i smarowanie.

proces zużycia Fretting

cykliczny ruch między stykającymi się powierzchniami jest podstawowym składnikiem we wszystkich rodzajach zużycia fretting. Jest to proces kombinowany, który wymaga, aby powierzchnie były w kontakcie i były narażone na małe oscylacje amplitudy.

w zależności od właściwości materiału Powierzchni, klej, ścieranie dwóch ciał i / lub cząstki stałe mogą powodować zanieczyszczenia zużywające się. Cząstki zużycia odrywają się i stają się rozdrobnione (zmiażdżone), a mechanizm zużycia zmienia się w ścieranie trzech ciał, gdy utwardzone zanieczyszczenia zaczynają usuwać metal z powierzchni.

zużycie Fretting występuje w wyniku następującej sekwencji zdarzeń:

1. przyłożone normalne obciążenie powoduje przywieranie asperity, a styczny ruch oscylacyjny ścinający asperity i generuje gromadzące się zanieczyszczenia zużywające się.

2. przetrwałe (trudniejsze) asperities ostatecznie działają na gładkich, miękkich powierzchniach, powodując, że ulegają odkształceniom plastycznym, tworzą puste przestrzenie, propagują pęknięcia i ścinają arkusze cząstek, które również gromadzą się w przygnębionych częściach powierzchni.

3. gdy cząstki nagromadziły się wystarczająco, aby przekroczyć szczelinę między powierzchniami, następuje zużycie ścierne i strefa zużycia rozprzestrzenia się w bok.

4. wraz z postępem adhezji, rozwarstwienia i zużycia ściernego zanieczyszczenia zużywające się nie mogą być już zawarte w strefie początkowej i wydostają się do otaczających dolin.

5. ponieważ maksymalne naprężenie znajduje się w centrum, geometria staje się zakrzywiona, tworzą się mikropity, które łączą się w większe i głębsze wgłębienia. Wreszcie, w zależności od przesunięcia ruchu stycznego, gąsienice robaka lub nawet duże szczeliny mogą być generowane w jednej lub obu powierzchniach.

wraz z utwardzaniem powierzchni zmniejsza się stopień zużycia ściernego. Wreszcie, występuje stała szybkość zużycia, co pokazuje, że wszystkie odpowiednie tryby zużycia działają razem.

charakterystyka zużycia progu

kluczowym czynnikiem w zużyciu progu jest mechanicznie obciążony interfejs poddany niewielkiemu ruchowi oscylacyjnemu. Względny ruch wymagany do wywołania obrażeń może być dość mały, zaledwie jeden mikrometr, ale częściej wynosi około kilku tysięcznych cala. Współczynnik zużycia zależy od amplitudy oscylacji.

bardzo małe zużycie występuje przy amplitudach poniżej 100 mikrometrów, jak pokazano na fig.1.

Rysunek 1. Zużycie Fretting vs Amplitude1

przy poślizgach poniżej 100 mikrometrów zarodkowanie i propagacja pęknięć, które prowadzą do zużycia zanieczyszczeń są zbyt małe, aby je wykryć. Zanieczyszczenia zużywające się przy takim stopniu oscylacji prawdopodobnie powodują tak niskie zużycie.

przy wysokich amplitudach bezpośrednie ścieranie interfejsu przez twarde cząstki (tlenek lub cząstki utwardzone) powoduje zużycie brutto. Przy dużych amplitudach oscylacji współczynnik zużycia fretting jest w przybliżeniu taki sam jak w przypadku zużycia jednokierunkowego.

Rysunek 2. Zużycie Fretting vs. Running Time2

zmiany w normalnym obciążeniu ogólnie wpływają na zużycie fretting. Chociaż użytkownicy sprzętu często zakładają, że wysokie obciążenia normalne tłumią wibracje wystarczająco, aby zmniejszyć fretting, wzrost powierzchni styku powoduje większą interakcję powierzchni, która ma tendencję do przeważania tego efektu. W związku z tym, rosnące obciążenie lub ciśnienie jednostkowe mają tendencję do generowania wyższych współczynników zużycia, jak pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. 3

trzy oddzielne mechanizmy powodują zużycie fretting: przyczepność, zmęczenie trakcji i rozwarstwienie (dwa ciała ścieranie). Metaliczny transfer może, ale nie musi mieć miejsca. Odkształcenia plastyczne geometrycznie zmieniają powierzchnie i powstają obszary o wysokim obciążeniu, które mają obszary mierzone w milimetrach kwadratowych.

materiał odpowiadający tym obszarom nośnym jest wysoce utwardzony i prowadzi do utworzenia nowej fazy konstrukcyjnej. Te utwardzone obszary są kruche, podatne na pękanie i rozdrobnienie oraz generują metalowe zanieczyszczenia i cząstki o początkowych wymiarach około jednego mikrometra.

Rysunek 4. Wpływ częstotliwości na uszkodzenia Fretting stali miękkiej

korozja Fretting

kolejnym aspektem procesu fretting jest wpływ wilgotności na szybkość zużycia fretting. Zużycie Fretting zmniejsza się znacznie dla większości par tarcia (metali) wraz ze wzrostem wilgotności względnej od zera do 50 procent.

Zużycie w wilgotnych warunkach jest zawsze mniej dotkliwe, ponieważ wilgoć zawarta w powietrzu zapewnia rodzaj warstwy smarującej między powierzchniami. W niektórych przypadkach wilgoć pozwala miękkim hydratom żelaza tworzyć zamiast twardszego, bardziej ściernego Fe3O4, magnetytu, magnetycznego tlenku żelaza.

chociaż fretting może wystąpić w środowisku obojętnym, ten rodzaj środowiska nie jest normalny. Nawet w warunkach pełnego smarowania oleje mineralno-bazowe wystawione na działanie atmosfery zawierają co najmniej 10 procent powietrza, więc tlen jest obecny we wszystkich parach ciernych lub interfejsach zużycia. Zużywające się powierzchnie i zużywające się zanieczyszczenia zwykle wykazują dużą ilość tlenku, co prowadzi do nazwy ” korozja fretting.”

w przeszłości zużycie fretting był zwykle nazywany fretting korozji, ponieważ utlenianie było podobno krytycznym czynnikiem powodującym fretting. W rzeczywistości istnienie produktów utleniania było gotowym sposobem identyfikacji procesu frettingu.

dzisiaj inżynierowie zdają sobie sprawę, że fretting występuje w materiałach, które nie utleniają się, takich jak tlenek sześcienny, złoto i platyna. Chociaż utlenianie nie powoduje marszczenia w większości popularnych materiałów, usuwanie resztek zużywających pozostawia pierwotny metal narażony na działanie atmosfery i zwykle występuje utlenianie.

silne dowody wizualne potwierdzają tezę, że folie tlenkowe tworzą się, a następnie są zeskrobywane. Metaliczne powierzchnie w okolicy gryfu stają się lekko odbarwione. Kolor resztek zużycia różni się w zależności od rodzaju materiału macierzystego; produkt korozji aluminium jest biały, ale fretting powoduje, że staje się czarny, produkt korozji stali jest szary, ale fretting powoduje, że staje się czerwonawo brązowy.

drugim aspektem, który wspiera ten pomysł, jest wzrost zużycia. Gdy fretting występuje w środowisku obojętnym, szybkość zużycia jest znacznie mniejsza niż wtedy, gdy warunki powodują powstawanie warstwy tlenku i być zeskrobane.

ponieważ wpływ częstotliwości na zużycie jest zależny od amplitudy, należy zdefiniować dwa rodzaje zużycia fretting zgodnie z amplitudą oscylacji. Pierwszym rodzajem fretting jest fretting korozji lub zużycia, jak wcześniej omówiono. Drugi rodzaj fretting, który występuje, w którym mniej materiału jest usuwany jest nazywany fretting zmęczenie lub zmęczenie trakcji.

zmęczenie Fretting

w zmęczeniu fretting, pęknięcia powierzchniowe inicjują i propagują, usuwając w ten sposób materiał. Amplituda jest mała. Jeśli Amplituda poślizgu wzrośnie, zjawisko zmęczenia fretting może zniknąć, ponieważ przód zużycia zaczyna szybko posuwać się wystarczająco szybko, aby usunąć zainicjowane pęknięcia przed ich propagacją.

twardość powierzchni odgrywa kluczową rolę w ograniczaniu zmęczenia fretting. Jeśli obie powierzchnie są twarde, spoiny spoiną, a następnie ścinanie połączeń, przenoszenie materiału i generowanie cząstek zużycia.

jeśli twarda powierzchnia styka się z miękką powierzchnią, prawdopodobnie wystąpi zmęczenie zmęczeniowe. Twardsza z dwóch powierzchni tworzy wystarczającą przyczepność, aby spowodować odkształcenie plastyczne bardziej miękkiej powierzchni i uwolnienie cząstek poprzez zarodkowanie próżni podpowierzchniowej, propagację pęknięć i późniejszą utratę materiału powierzchniowego.

gdy jedna powierzchnia jest znacznie twardsza i bardziej szorstka i jest napędzana mniejszą siłą uciągu, kropidła wbiją się w przeciwną powierzchnię, aby spowodować poważne ścieranie i drutowe zanieczyszczenia.

wpływ środka smarnego na Fretting

Fretting wydaje się rozwijać szybciej w parach ciernych, które mają gładkie wykończenie powierzchni i bliskie dopasowanie. Smary nie wnikają w obszary zużycia o małych prześwitach (opisane jako bliskie dopasowanie). Ponadto gładkie wykończenie eliminuje kieszenie zatrzymujące smar między kropelkami na szorstkich powierzchniach.

w tych warunkach można osiągnąć tylko graniczne warunki smarowania, ciągłe współdziałanie powierzchni zwilżonych olejem. Środki smarne nie zawsze są skuteczne, ponieważ działanie posuwisto-zwrotne wyciska film smarny i nie pozwala na jego uzupełnienie.

ogólnie rzecz biorąc, celem środka smarnego w większości sytuacji fretting jest zapobieganie dotarciu tlenu do powierzchni fretting i zanieczyszczenia zużycia. Płynne smary ze skutecznymi dodatkami do dezaktywatorów metali mogą pomóc zmniejszyć efekt frettingu, ale prawdopodobnie nie przestaną całkowicie frettingu.

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

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

3. Lipson, C. Wear Considerations in Design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, Nowy Jork, 1967.

Uwaga redakcji
ten artykuł pierwotnie pojawił się jako rozdział w książce E. C. Fitcha, Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.