Основные сведения об абразивности горных и пород и изнашивании металлов
Абразивностью горных пород называют их способность изнашивать детали машин и инструменты при трении. Изнашивание – процесс преимущественно механический (усталостные явления на поверхностях трения, их деформирование, царапание, резание), а поэтому показатели абразивности горных пород рассматриваются как показатели их механических свойств.
Изнашивание –постепенное изменение формы и размеров детали или инструмента в процессе работы. Результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения частиц твердого тела или остаточной деформации его поверхности, называется износом.
В технике используются в основном два показателя изнашивания:
1) интенсивность изнашивания – износ, приходящийся на единицу работы трения;
2) скорость изнашивания – износ в единицу времени.
а = W/t o ,
где а – скорость изнашивания; W – износ в любых единицах,например,в мг,мм, мм3 и т.д.; to – время изнашивания твердого тела.
Вид и показатели изнашивания зависят от большого числа факторов, к ос-новным из которых относятся: свойства трущихся поверхностей (шерохова-тость и соотношение твердостей), режим трения, вид и свойства среды, в которой работают детали или инструменты.
Шероховатость поверхности горной породы зависит от размера ее структурных элементов и особенно твердых составляющих, входящих в состав породы (кварца, халцедона и др.), и обусловливает не сплошной контакт трущихся тел, а дискретный – вершинами выступов шероховатой поверхности. Поэтому фактическое давление в точках контакта всегда значительно выше, чем рассчитанное по геометрическим размерам детали или инструмента. Если фактическое давление в контакте меньше предела текучести материала детали, то скорость ее изнашивания не велика, а если наоборот, то элементы шероховатости породы будут пластически деформировать и царапать поверхность детали, и скорость ее изнашивания резко возрастет.
|
|
|
Твердость структурных элементов горной породы определяется методоммикротвердости (путем вдавливания алмазной пирамиды Виккерса при весьма малой нагрузке). На рисунке 4.33 приведена характерная зависимость скорости изнашивания стали а от соотношения микротвердости абразивной поверхности и стали. Из рисунка видно, что при твердости абразивной поверхности (Набр) меньше твердости металла (Н) скорость изнашивания весьма мала и линейно зависит от отношения Набр/Н. При сближении твердостей линейная зависимость нарушается и скорость изнашивания быстро нарастает. Особенно быстро она растет при Набр/Н > 1, т .е. зависимость а от Набр/Н имеет две области, разделен-ные абсциссой Набр/Н = 1.
|
|
|
Рис. 4.33. Влияние соотношения твердостей поверхностей на скорость изнашивания металла
В первой области имеет место усталостное изнашивание поверхности стали в пределах толщины окисной пленки на поверхности стали, поэтому такое изнашивание называют окислительным. Во второй области более высокая твердость элементов шероховатости горной породы обусловливает возможность пластического деформирования и царапания поверхности металла. Пластическое деформирование резко увеличивает скорость усталостного изнашивания, а царапание (а иногда и микрорезание) ведет к прямому отделению частиц металла от поверхности.
Режим трения характеризуется контактным давлением,скоростью относительного перемещения изнашиваемых поверхностей, характером приложения нагрузки, частотой взаимодействия и др. Первые две характеристики режима могут быть заданы обобщенным показателем – удельной мощностью трения Nуд:
Nуд = fpvt , (4.72)
где р – давление на поверхностях трения; f – коэффициент трения; vt - скорость относительного перемещения изнашиваемых поверхностей.
Среда характеризуется,главным образом,смазывающей и охлаждающейспособностями. Детали бурового оборудования и инструмента чаще всего работают в воздушной среде, в воде и водных растворах, в среде углеводородных жидкостей (масла, буровые растворы на нефтяной основе), а также в различных эмульсиях. От смазывающей способности зависит величина Nуд, т.к. чем лучше смазывающая способность среды, тем ниже коэффициент трения. Вся работа трения, в конечном счете, переходит в тепло, вызывая нагрев рабочих поверхностей и изменяя их свойства. Чем лучше охлаждающая способность среды, тем меньше нагрев рабочих поверхностей и, соотвественно, ниже скорость изнашивания металла.
|
|
|
Основные виды изнашивания металлов при трении рассмотрим по результатам исследований под руководством Б. И. Костецкого.
Изнашивание схватыванием первого рода наблюдается при малых скоростях относительного перемещения трущихся поверхностей и высоких контактных давлениях. Характерно для родственных поверхностей. Обусловлено разрушением (сдвигом) оксидных пленок и прямым контактом ювенильных поверхностей металлов и их слипанием. Проявляется в виде задиров на поверхностях трения.
Окислительное изнашивание имеет место при сравнительно легком режиме трения. Обусловлено усталостным диспергированием поверхностных оксидных пленок металла в пределах их толщины . Сталь – сплав железо– углерод. Рассмотрим образование оксидных пленок железа как основного компонента сплава (рис. 4.34). При окислении по мере увеличения глубины снижается концентрация кислорода, т.е. на поверхности образуется окись железа Fe2O3, которая постепенно переходит в его окис-закись Fe3O4, далее в закись железа FeO. И только на некоторой глубине находится исходный металл.
|
|
|
Рис. 4.34. Схема контакта стали с горной породой
Из схемы на рисунке 4.34 видно, что контактная поверхность металла имеет слоистое строение, что способствует ее усталостному послойному отделению в процессе изнашивания.
Оксидные пленки непрерывно восстанавливаются и обеспечивают устойчивый режим трения и работы деталей машин при весьма низких скоростях изнашивания. Окислительное изнашивание не следует путать с коррозией поверхностей металлов. Этот вид изнашивания предпочтителен в узлах трения и искусственно поддерживается путем применения смазочных материалов с противозадирными и окислительными присадками.
Изнашивание схватыванием второго рода (тепловое изнашивание) характерно для тяжелых режимов трения, обусловленных высокой скоростью скольжения и контактного давления. При этом количество выделяемого тепла достаточно для разогрева поверхности металла, термического разупрочнения его поверхности и схватывания (сваривания) в точках фактического контакта в случае родственных материалов. При трении о горные породы резко увеличиваются возможности пластического деформирования поверхности металла, ее царапания и микрорезания.
Осповидное изнашивание обусловлено усталостными процессами притрении качения и проявляется в виде локального выкрашивания на поверхности трения с образованием «оспин».
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 462; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!