Образование поверхностных усталостных раковин или выкрашивание является результатом усталости металла от многократного перенапряжения вследствие одновременного действия качения и скольжения. Этот процесс разрушения характерен для шариковых и роликовых подшипников, шестерен и подшипников скольжения. Образование усталостных раковин, как и при обычных усталостных разрушениях, начинается с первичной трещины. Эта трещина развивается не в глубину детали, а, захватывая небольшой объем металла, замыкается на поверхности. Ограниченный трещиной участок детали отрывается и при дальнейшем своем развитии производит дополнительные разрушения, а иногда приводит к аварии, например, поломке зубьев шестерен, выправлению подшипников и т.п.
Рассмотрим этот процесс разрушения на шариковом подшипнике.
При работе подшипника на точку с беговой дорожки силы действуют непостоянно. Во время попадания в эту точку шарика силы достигают наибольшей величины. При дальнейшем движении шарика точка а разгружается. Через некоторое время в точку а попадает второй шарик и процесс повторяется.
Таким образом, точка с испытывает давления, меняющиеся от наименьшей до наибольшей величины, т.е. поддается воздействиям переменной нагрузки. Для подшипника, например, с диаметром беговой дорожки, равной 48 мм, скорость передвижения шариков по беговой дорожке при 1000 об/мин составит более 2 м/сек. При этом продолжительность силового воздействия на площадь, равную площади контакта шарика с беговой дорожкой, занимает около 0,0002 секунды. Фактическая поверхность соприкосновения шарика с беговой дорожкой равна 0,01-0,00001 от расчетной, и даже при небольших нагрузках на подшипник удельное давление достигает 20000 кг/см2. Небольшой участок поверхности беговой дорожки, испытывая высокие мгновенные напряжения, нагревается до температуры около 1000°.
В течение очень небольших отрезков времени в металле подшипника протекают следующие процессы. Металл в нагретом участке расширяется, и часть окружающих его слоев пластически деформируется. При отходе шарика участок разгружается и остывает. При этом в металле данного участка возникнут остаточные напряжения, которые будут вследствие цикличности процесса расти и в результате приведут к образованию микроскопической трещины. В эту трещину попадает масло и расклинивает вследствие действия капиллярных сил, а также в связи с тем, что масло подвергается действию высоких давлений температур. Расклинивающее давление масла может достигать 1000 кг/см2. Это приводит к распространению трещины на весь участок, подвергающийся воздействию данных процессов, замыканию ее и отрыву металла с поверхности беговой дорожки.
Аналогичные явления возникают и при работе зубьев шестерен.
При работе шейки в баббитовом подшипнике, в случае недостаточной жесткости постели подшипника, кроме высоких переменных контактных напряжений, возникают напряжения изгиба, особенно в подшипнике с тонкостенными вкладышами. Объясняется это тем, что вкладыш равномерно прилегает своей поверхностью к постели. Обычно вкладыш делают размером несколько большим, чем диаметр постели. При укладке без особого нажима вкладыш соприкасается с постелью по нескольким образующим.
При нажатии на выступающие участки вкладыша последний изгибается и прилегает к постели всей поверхностью. Однако плотность прилегания в разных точках будет неодинаковой: в точках «а», «б» прилегание будет незначительным, а в точках «1», «2», «3» — весьма плотным.
Во время работы вкладыш в местах менее плотного прилегания изгибается. Вследствие изгиба и скольжения, возникающих от циклически повторяющихся нагрузок, в антифрикционном слое образуется раковина. Выкрашивающиеся кусочки металла заклиниваются между шейкой и подшипником, ухудшая режим трения и смазки, и являются причиной дополнительного нагрева подшипника, заканчивающегося иногда выплавлением последнего.
Категория: 